專利名稱：一種提高近紅外高反膜激光損傷閾值的鍍制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種提高近紅外納秒激光用高反射薄膜激光損傷閾值的鍍制方法。
背景技術(shù)：
在強(qiáng)激光系統(tǒng)中，近紅外高損傷閾值高反膜是強(qiáng)激光系統(tǒng)中關(guān)鍵元件之一，也是大激光裝置設(shè)計(jì)中關(guān)鍵因素之一，其損傷閾值及損傷特性是限制強(qiáng)激光系統(tǒng)性能進(jìn)一步改善的重要瓶頸，也是直接影響激光系統(tǒng)穩(wěn)定性和使用壽命的重要因素之一。大量針對(duì)近紅外激光高反膜損傷機(jī)制的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于納秒激光而言，限制高反膜損傷閾值的最關(guān)鍵因素是節(jié)瘤。一般認(rèn)為，節(jié)瘤的存在，會(huì)改變駐波場(chǎng)的分布，使局部電場(chǎng)強(qiáng)度變大，引起局部輻照能量變大，過(guò)強(qiáng)的激光輻照，會(huì)導(dǎo)致節(jié)瘤本身的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性加劇，從而引起破壞。此外，節(jié)瘤本身的倒圓錐結(jié)構(gòu)，會(huì)加大光入射的角度，在大角度入射的情況下，因?yàn)楸∧さ姆瓷鋷捰邢?，?huì)造成部分入射光由高反射變成透射，從而加劇了薄膜的破壞，降低了薄膜的閾值。而造成節(jié)瘤的種子源主要有兩種來(lái)源。一是鍍膜前的基板污染，通過(guò)合理細(xì)致的過(guò)程控制，可以將這部分的污染降至最低，在高反膜中甚至可以忽略；二是蒸鍍過(guò)程中的膜料噴濺。當(dāng)前研究人員的重點(diǎn)是盡可能消除節(jié)瘤，盡可能降低節(jié)瘤的密度，并使節(jié)瘤盡可能的小，以提高薄膜的閾值。到目前為止，電子束蒸發(fā)金屬鉿被認(rèn)為是最佳的高閾值高反膜鍍制方式，是因?yàn)檫@種蒸鍍方式產(chǎn)生的節(jié)瘤尺寸和密度最小。繼續(xù)降低節(jié)瘤的尺寸和密度，不僅需要相當(dāng)高的成本，而且效率低下，效果也不明顯。完全消除節(jié)瘤幾乎是一件不可能的事情。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在保持電子束蒸發(fā)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，針對(duì)限制高反膜閾值的瓶頸-節(jié)瘤，通過(guò)改變節(jié)瘤的幾何形狀特性，繼而改善了節(jié)瘤的抗激光損傷特性，提供了一種提高近紅外高反膜激光損傷閾值的鍍制方法，該方法可以極大幅度提高薄膜的激光損傷閾值，而且具有針對(duì)性強(qiáng)、效率高、簡(jiǎn) 單易行的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
一種提高光學(xué)薄膜激光損傷閾值的鍍制方法，具體步驟如下:
(1)將基板清洗干凈，然后利用高純氮?dú)獯蹈珊蠓湃脲兡C(jī)內(nèi)；
(2)控制鍍膜機(jī)內(nèi)真空室的本底真空度為1\10_午& 3父10，&，將基板加熱至200度，并恒溫80分鐘；
(3)固定基板與蒸發(fā)源HfO2和SiO2的相對(duì)位置，采用電子束交替蒸發(fā)HfO2和SiO2;控制蒸鍍時(shí)的氧分壓為1.0E-2Pa 3.0E-2Pa,速率為0.05nm/s 0.3nm/s ；
(4)待真空室內(nèi)溫度自然冷卻至室溫后取出鍍制好的樣品。本發(fā)明中，可通過(guò)控制基板與蒸發(fā)源HfO2和SiO2的相對(duì)位置，使膜料分子在基板上沉積的入射角度大于30°，控制蒸鍍HfO2時(shí)的氧分壓為3.0E-2Pa，速率為0.05nm/s，蒸鍍SiO2時(shí)的氧分壓為1.0E-2Pa,速率為0.3nm/s。本發(fā)明中，所述基板可以是光學(xué)玻璃，也可以是晶體。本發(fā)明的核心是通過(guò)改變蒸鍍工藝改變節(jié)瘤的幾何形狀特性，從而提升節(jié)瘤的抗激光損傷特性。圖1是典型的節(jié)瘤的結(jié)構(gòu)圖。不同幾何特性的節(jié)瘤具有不同的抗激光損傷特性，如圖2所示。節(jié)瘤是薄膜中抗激光損傷能力最弱的地方。改善節(jié)瘤的損傷特性相當(dāng)于改善了整個(gè)薄膜的損傷特性。而節(jié)瘤的幾何特性可以通過(guò)鍍膜工藝來(lái)控制。在當(dāng)前手段已經(jīng)無(wú)法再繼續(xù)明顯降低節(jié)瘤分布的情況下，通過(guò)改善節(jié)瘤的幾何形狀特性，從而使得近紅外納秒激光高反射薄膜的閾值得到進(jìn)一步顯著地提高。本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
1.可有效提升節(jié)瘤的C值。對(duì)比傳統(tǒng)Hf02/Si02高反射薄膜,改善后的高反薄膜的節(jié)瘤C值由8提到10。2.可有效提高高反射薄膜的損傷閾值。對(duì)比傳統(tǒng)Hf02/Si02高反射薄膜，改善后的高反薄膜的閾值有大幅度提高。3.本發(fā)明方法經(jīng)濟(jì)易行。通過(guò)改善蒸發(fā)特性，就可以改變沉積分子的入射角度和入射動(dòng)能，從而改變節(jié)瘤的幾何特性，易于操作。4.本發(fā)明方法針對(duì)性強(qiáng)和效率高的特點(diǎn)。此方法直接針對(duì)限制近紅外納秒激光高反射膜的瓶頸，極大改善了薄膜的損傷特性。


圖1節(jié)瘤的結(jié)構(gòu)示意圖。其中d為種子源的直徑，t為種子的深度，D為節(jié)瘤的直徑，C為一個(gè)常數(shù)，他們之間的關(guān)系為:D=sqrt(Cdt)。由此可見，C值代表著節(jié)瘤的類型。C值越小，入射光的入射角度范圍就越大，但薄膜的反射帶寬有限，當(dāng)入射角度超過(guò)一定范圍時(shí)，部分入射光由高反射變成透射，進(jìn)入到薄膜內(nèi)部，從而加劇了薄膜的破壞，降低了薄膜的閾值。不僅如此，理論模擬證明，不同C值得節(jié)瘤具有不同的電場(chǎng)分布。圖2不同形狀節(jié)瘤的電場(chǎng)分布。圖2是同樣大小的種子源，分別在C值為4和8情況下的電場(chǎng)分布；縱軸是P偏光|e2|的分布。c值為4時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度的極大值遠(yuǎn)大于為8的情況；而且C值為4時(shí)，電場(chǎng)極大值的分布更靠近種子源。這意味著C值為8時(shí)，薄膜的閾值更高。隨后的大量實(shí)驗(yàn)，也證明了這個(gè)假設(shè)的成立，不同C值的節(jié)瘤具有不同的閾值，C值越大的節(jié)瘤，閾值越高。而C值由工藝決定，加大膜料分子在基板表面沉積的入射角度，降低入射分子的動(dòng)能，都有利于獲得較大的C值。
具體實(shí)施例方式通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1:
以JGSl石英玻璃作為基板，首先將其放入清洗液中超聲清洗15分鐘，取出后用高純氮?dú)獯蹈?，然后放入鍍膜設(shè)備中的工件架上；基板溫度為200度，恒溫80分鐘；當(dāng)本底真空為2X KT3Pa時(shí)，電子束交替蒸發(fā)HfO2顆粒和石英環(huán)SiO2 ;蒸鍍HfO2顆粒時(shí)的氧分壓為
3.0E_2Pa，速率為0.05nm/s，蒸鍍SiO2時(shí)的氧分壓為1.0E_2Pa，速率為0.3nm/s。膜料蒸鍍角度范圍為40°。蒸鍍完成后，樣品在真空室內(nèi)自然冷卻至室溫，然后開門取出樣品。
與傳統(tǒng)方法使用HfO2顆粒和石英環(huán)SiO2鍍制的高反射薄膜進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明鍍制的薄膜，節(jié)瘤分布密度幾乎一樣，但通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，C值由8增加到了 10 ；1064nm抗激光損傷閾值則由22J/cm2 (5ns)提高到了 41J/cm2 (5ns)。實(shí)施例2:
以JGSl石英玻璃作為基板，首先將其放入清洗液中超聲清洗15分鐘，取出后用高純氮?dú)獯蹈?，然后放入鍍膜設(shè)備中的工件架上；基板溫度為200度，恒溫80分鐘；當(dāng)本底真空為2X 10_3Pa時(shí)，電子束交替蒸發(fā)金屬鉿和石英環(huán)SiO2 ;蒸鍍金屬鉿時(shí)的氧分壓為3.0E_2Pa，速率為0.05nm/s，蒸鍍Si O2時(shí)的氧分壓為1.0E_2Pa，速率為0.4nm/s。膜料蒸鍍角度范圍為40°。蒸鍍完成后，樣品在真空室內(nèi)自然冷卻至室溫，然后開門取出樣品。與傳統(tǒng)方法使用金屬鉿和石英環(huán)SiO2鍍制的高反射薄膜進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明鍍制的薄膜，節(jié)瘤分布密度幾乎一樣，但通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，C值由8增加到了 10 ；1064nm抗激光損傷閾值則由30J/cm2 (5ns)提高到了 50J/cm2 (5ns)。
權(quán)利要求
1.一種提高光學(xué)薄膜激光損傷閾值的鍍制方法，其特征在于具體步驟如下: (1)將基板清洗干凈，然后利用高純氮?dú)獯蹈珊蠓湃脲兡C(jī)內(nèi)； (2)控制鍍膜機(jī)內(nèi)真空室的本底真空度為1\10_午& 3父10，&，將基板加熱至200度，并恒溫80分鐘； (3)固定基板與蒸發(fā)源HfO2和SiO2的相對(duì)位置，采用電子束交替蒸發(fā)HfO2和SiO2;控制蒸鍍時(shí)的氧分壓為1.0E-2Pa 3.0E-2Pa,速率為0.05nm/s 0.3nm/s ； (4)待真空室內(nèi)溫度自然冷卻至室溫后取出鍍制好的樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光學(xué)薄膜激光損傷閾值的鍍制方法，其特征在于步驟(3)中通過(guò)控制基板與蒸發(fā)源HfO2和SiO2的相對(duì)位置，使膜料分子在基板上沉積的入射角度大于30°，控制蒸鍍HfO2時(shí)的氧分壓為3.0E-2Pa，速率為0.05nm/s，蒸鍍SiO2時(shí)的氧分壓為 1.0E-2Pa,速率為 0.3nm/s。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光學(xué)薄膜激光損傷閾值的鍍制方法，其特征在于所述基板是光學(xué)玻璃或晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高近紅外高反膜激光損傷閾值的鍍制方法，該方法屬于薄膜光學(xué)領(lǐng)域，主要針對(duì)近紅外激光高反膜中限制閾值的瓶頸——節(jié)瘤。當(dāng)前的技術(shù)手段主要通過(guò)消除節(jié)瘤，即降低節(jié)瘤密度和尺寸來(lái)提升薄膜的閾值。但在當(dāng)前技術(shù)條件下，消除節(jié)瘤需要耗費(fèi)巨大的成本，而且無(wú)法完全消除。本發(fā)明提出了一種直接改善節(jié)瘤閾值從而提升薄膜閾值的方法。理論和實(shí)踐已經(jīng)證明，鍍膜工藝決定了節(jié)瘤的幾何特性，而節(jié)瘤的幾何特性與抗激光損傷特性息息相關(guān)。通過(guò)加大薄膜分子在基板沉積的入射角，降低入射分子的沉積動(dòng)能，可以使得節(jié)瘤的閾值得到明顯改善。此方法具有針對(duì)性強(qiáng)、效率高、簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/08GK103215550SQ201310102800
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者鮑剛?cè)A, 程鑫彬, 宋智, 焦宏飛, 王占山 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)