专利名称：一种提高近红外高反膜激光损伤阈值的镀制方法
技术领域：
本发明属于薄膜光学领域，具体涉及一种提高近红外纳秒激光用高反射薄膜激光损伤阈值的镀制方法。
背景技术：
在强激光系统中，近红外高损伤阈值高反膜是强激光系统中关键元件之一，也是大激光装置设计中关键因素之一，其损伤阈值及损伤特性是限制强激光系统性能进一步改善的重要瓶颈，也是直接影响激光系统稳定性和使用寿命的重要因素之一。大量针对近红外激光高反膜损伤机制的理论和实验研究表明，对于纳秒激光而言，限制高反膜损伤阈值的最关键因素是节瘤。一般认为，节瘤的存在，会改变驻波场的分布，使局部电场强度变大，引起局部辐照能量变大，过强的激光辐照，会导致节瘤本身的结构不稳定性加剧，从而引起破坏。此外，节瘤本身的倒圆锥结构，会加大光入射的角度，在大角度入射的情况下，因为薄膜的反射带宽有限，会造成部分入射光由高反射变成透射，从而加剧了薄膜的破坏，降低了薄膜的阈值。而造成节瘤的种子源主要有两种来源。一是镀膜前的基板污染，通过合理细致的过程控制，可以将这部分的污染降至最低，在高反膜中甚至可以忽略；二是蒸镀过程中的膜料喷溅。当前研究人员的重点是尽可能消除节瘤，尽可能降低节瘤的密度，并使节瘤尽可能的小，以提高薄膜的阈值。到目前为止，电子束蒸发金属铪被认为是最佳的高阈值高反膜镀制方式，是因为这种蒸镀方式产生的节瘤尺寸和密度最小。继续降低节瘤的尺寸和密度，不仅需要相当高的成本，而且效率低下，效果也不明显。完全消除节瘤几乎是一件不可能的事情。
发明内容
本发明在保持电子束蒸发的优势的同时，针对限制高反膜阈值的瓶颈-节瘤，通过改变节瘤的几何形状特性，继而改善了节瘤的抗激光损伤特性，提供了一种提高近红外高反膜激光损伤阈值的镀制方法，该方法可以极大幅度提高薄膜的激光损伤阈值，而且具有针对性强、效率高、简 单易行的特点。本发明的技术解决方案如下:
一种提高光学薄膜激光损伤阈值的镀制方法，具体步骤如下:
(1)将基板清洗干净，然后利用高纯氮气吹干后放入镀膜机内；
(2)控制镀膜机内真空室的本底真空度为1\10_午& 3父10，&，将基板加热至200度，并恒温80分钟；
(3)固定基板与蒸发源HfO2和SiO2的相对位置，采用电子束交替蒸发HfO2和SiO2;控制蒸镀时的氧分压为1.0E-2Pa 3.0E-2Pa,速率为0.05nm/s 0.3nm/s ；
(4)待真空室内温度自然冷却至室温后取出镀制好的样品。本发明中，可通过控制基板与蒸发源HfO2和SiO2的相对位置，使膜料分子在基板上沉积的入射角度大于30°，控制蒸镀HfO2时的氧分压为3.0E-2Pa，速率为0.05nm/s，蒸镀SiO2时的氧分压为1.0E-2Pa,速率为0.3nm/s。本发明中，所述基板可以是光学玻璃，也可以是晶体。本发明的核心是通过改变蒸镀工艺改变节瘤的几何形状特性，从而提升节瘤的抗激光损伤特性。图1是典型的节瘤的结构图。不同几何特性的节瘤具有不同的抗激光损伤特性，如图2所示。节瘤是薄膜中抗激光损伤能力最弱的地方。改善节瘤的损伤特性相当于改善了整个薄膜的损伤特性。而节瘤的几何特性可以通过镀膜工艺来控制。在当前手段已经无法再继续明显降低节瘤分布的情况下，通过改善节瘤的几何形状特性，从而使得近红外纳秒激光高反射薄膜的阈值得到进一步显著地提高。本发明的技术效果如下:
1.可有效提升节瘤的C值。对比传统Hf02/Si02高反射薄膜,改善后的高反薄膜的节瘤C值由8提到10。2.可有效提高高反射薄膜的损伤阈值。对比传统Hf02/Si02高反射薄膜，改善后的高反薄膜的阈值有大幅度提高。3.本发明方法经济易行。通过改善蒸发特性，就可以改变沉积分子的入射角度和入射动能，从而改变节瘤的几何特性，易于操作。4.本发明方法针对性强和效率高的特点。此方法直接针对限制近红外纳秒激光高反射膜的瓶颈，极大改善了薄膜的损伤特性。
图1节瘤的结构示意图。其中d为种子源的直径，t为种子的深度，D为节瘤的直径，C为一个常数，他们之间的关系为:D=sqrt(Cdt)。由此可见，C值代表着节瘤的类型。C值越小，入射光的入射角度范围就越大，但薄膜的反射带宽有限，当入射角度超过一定范围时，部分入射光由高反射变成透射，进入到薄膜内部，从而加剧了薄膜的破坏，降低了薄膜的阈值。不仅如此，理论模拟证明，不同C值得节瘤具有不同的电场分布。图2不同形状节瘤的电场分布。图2是同样大小的种子源，分别在C值为4和8情况下的电场分布；纵轴是P偏光|e2|的分布。c值为4时，电场强度的极大值远大于为8的情况；而且C值为4时，电场极大值的分布更靠近种子源。这意味着C值为8时，薄膜的阈值更高。随后的大量实验，也证明了这个假设的成立，不同C值的节瘤具有不同的阈值，C值越大的节瘤，阈值越高。而C值由工艺决定，加大膜料分子在基板表面沉积的入射角度，降低入射分子的动能，都有利于获得较大的C值。
具体实施例方式通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1:
以JGSl石英玻璃作为基板，首先将其放入清洗液中超声清洗15分钟，取出后用高纯氮气吹干，然后放入镀膜设备中的工件架上；基板温度为200度，恒温80分钟；当本底真空为2X KT3Pa时，电子束交替蒸发HfO2颗粒和石英环SiO2 ;蒸镀HfO2颗粒时的氧分压为
3.0E_2Pa，速率为0.05nm/s，蒸镀SiO2时的氧分压为1.0E_2Pa，速率为0.3nm/s。膜料蒸镀角度范围为40°。蒸镀完成后，样品在真空室内自然冷却至室温，然后开门取出样品。
与传统方法使用HfO2颗粒和石英环SiO2镀制的高反射薄膜进行对比研究发现，本发明镀制的薄膜，节瘤分布密度几乎一样，但通过扫描电镜观测发现，C值由8增加到了 10 ；1064nm抗激光损伤阈值则由22J/cm2 (5ns)提高到了 41J/cm2 (5ns)。实施例2:
以JGSl石英玻璃作为基板，首先将其放入清洗液中超声清洗15分钟，取出后用高纯氮气吹干，然后放入镀膜设备中的工件架上；基板温度为200度，恒温80分钟；当本底真空为2X 10_3Pa时，电子束交替蒸发金属铪和石英环SiO2 ;蒸镀金属铪时的氧分压为3.0E_2Pa，速率为0.05nm/s，蒸镀Si O2时的氧分压为1.0E_2Pa，速率为0.4nm/s。膜料蒸镀角度范围为40°。蒸镀完成后，样品在真空室内自然冷却至室温，然后开门取出样品。与传统方法使用金属铪和石英环SiO2镀制的高反射薄膜进行对比研究发现，本发明镀制的薄膜，节瘤分布密度几乎一样，但通过扫描电镜观测发现，C值由8增加到了 10 ；1064nm抗激光损伤阈值则由30J/cm2 (5ns)提高到了 50J/cm2 (5ns)。
权利要求
1.一种提高光学薄膜激光损伤阈值的镀制方法，其特征在于具体步骤如下: (1)将基板清洗干净，然后利用高纯氮气吹干后放入镀膜机内； (2)控制镀膜机内真空室的本底真空度为1\10_午& 3父10，&，将基板加热至200度，并恒温80分钟； (3)固定基板与蒸发源HfO2和SiO2的相对位置，采用电子束交替蒸发HfO2和SiO2;控制蒸镀时的氧分压为1.0E-2Pa 3.0E-2Pa,速率为0.05nm/s 0.3nm/s ； (4)待真空室内温度自然冷却至室温后取出镀制好的样品。
2.根据权利要求1所述的提高光学薄膜激光损伤阈值的镀制方法，其特征在于步骤(3)中通过控制基板与蒸发源HfO2和SiO2的相对位置，使膜料分子在基板上沉积的入射角度大于30°，控制蒸镀HfO2时的氧分压为3.0E-2Pa，速率为0.05nm/s，蒸镀SiO2时的氧分压为 1.0E-2Pa,速率为 0.3nm/s。
3.根据权利要求1所述的提高光学薄膜激光损伤阈值的镀制方法，其特征在于所述基板是光学玻璃或晶体。
全文摘要
本发明涉及一种提高近红外高反膜激光损伤阈值的镀制方法，该方法属于薄膜光学领域，主要针对近红外激光高反膜中限制阈值的瓶颈——节瘤。当前的技术手段主要通过消除节瘤，即降低节瘤密度和尺寸来提升薄膜的阈值。但在当前技术条件下，消除节瘤需要耗费巨大的成本，而且无法完全消除。本发明提出了一种直接改善节瘤阈值从而提升薄膜阈值的方法。理论和实践已经证明，镀膜工艺决定了节瘤的几何特性，而节瘤的几何特性与抗激光损伤特性息息相关。通过加大薄膜分子在基板沉积的入射角，降低入射分子的沉积动能，可以使得节瘤的阈值得到明显改善。此方法具有针对性强、效率高、简单易行的特点。
文档编号C23C14/08GK103215550SQ201310102800
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月28日 优先权日2013年3月28日
发明者鲍刚华, 程鑫彬, 宋智, 焦宏飞, 王占山 申请人:同济大学