不同方法制备的Ta2O5薄膜光学性能和激光损伤阈值的对比分析

采用电子束蒸发(EBE)和离子柬溅射(IBS)制备了不同的Ta2O5薄膜,同时对电子束蒸发制备的薄膜进行了退火处理.研究了制备的Ta2O5薄膜的光学性能、激光损伤阈值(LIDT)、吸收、散射、粗糙度、微缺陷密度和杂质含量.结果表明,退火可使电子束蒸发制备的薄膜的光学性能得到改善,接近离子柬溅射的薄膜的光学性能.电子束蒸发制备的薄膜的损伤阈值较低的主要原因在于吸收大,微缺陷密度和杂质含量高,而与薄膜的散射和粗糙度关系不大.退火后薄膜的吸收和微缺陷密度都明显降低,损伤阈值得到提高.退火后的薄膜损伤阈值仍然低于溅射得到的薄膜损伤阈值是因为退火并不能降低膜内的杂质含量,因此选用高纯度的蒸发膜料和减少电子柬蒸发过程中的污染有可能进一步提高薄膜的损伤阈值.     

不同工艺条件下TiO2单层膜的吸收和损伤阈值测试

利用电子束热蒸发技术在不同氧分压和烘烤温度下镀制了一系列TiO2单层膜,采用表面热透镜技术测量了样品在1064nm处的弱吸收值,并用激光损伤测试平台测量了样品的抗激光损伤阈值(LIDT)特性。实验结果表明较高的氧分压和较低的烘烤温度能显著减小薄膜的吸收值。不过薄膜在基频下的损伤阈值除了受到薄膜吸收值的影响外,还取决于基底表面的杂质密度,当薄膜吸收较大时,本征吸收对损伤破坏起到主要作用;随着薄膜的吸收逐渐减小,基底表面处的缺陷吸收逐渐取代本征吸收成为影响薄膜损伤阈值的主导因素。     

脉冲激光诱导TiO2/SiO2薄膜表面损伤性能实验

高功率的激光系统对光学元件的抗激光损伤性能的要求不断提高。主要研究薄膜在脉冲激光诱导作用下的损伤特性及其机理,实验采用YAG脉冲激光器对TiO2/SiO2薄膜样片进行1-on-1方式的激光诱导。实验结果表明:采用低能量激光诱导对薄膜的光学透过率影响不大。经低能量激光诱导后,薄膜的表面结构缺陷得以修复,表面结构趋于完整,变得均匀和细腻。脉冲激光诱导TiO2/SiO2薄膜样片,激光能量阶较小时,其损伤阈值随能量增加而增加,损伤阈值最大可增加1倍;激光能量阶较大时,其损伤阈值随能量增加而减小。     

反应电子束蒸发HfO_2薄膜的结构、光学、化学和抗激光损伤特性

采用反应电子束蒸发技术在不同氧分压下制备了HfO_2薄膜,并采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、椭圆偏振仪、X射线光电子能谱仪、1064 nm弱吸收测试仪、1064 nm激光1-on-1损伤测试系统等,对HfO_2薄膜的结构、光学性能、化学组分、吸收性能、抗激光损伤特性和损伤形貌等进行了表征和分析。当沉积温度为200℃时,所制备的HfO_2薄膜为单斜多晶结构,晶粒尺寸约为10 nm。随着氧分压升高,薄膜的氧化程度随之增大,由化学计量比缺陷主导的薄膜1064 nm弱吸收系数变小,同时薄膜结构变得疏松,折射率随之降低。深入研究后发现,在采用反应电子束蒸发技术制备HfO_2薄膜时,提高氧分压有助于抑制膜内纳米吸收缺陷和基底亚表面裂纹,提高HfO_2薄膜抗1064 nm激光损伤阈值,对制备出基于HfO_2薄膜的高性能光学元器件具有重要的参考价值。     

CaF_2晶体的不同晶面在355nm脉冲激光辐照下的损伤特性

研究了氟化钙(CaF_2)晶体不同晶面在355 nm脉冲激光辐照下的损伤特性。在7.8 ns脉冲激光辐照下,测量(100)、(110)和(111)三种不同晶面样品的损伤阈值和损伤点形貌,并基于表面热透镜技术测量样品表面的光热弱吸收。实验结果表明:(111)晶面CaF_2晶体样品的光热吸收最高,激光损伤阈值最低,损伤形貌表现为熔融坑,并伴随有片层状剥离,说明了(111)面在355 nm激光作用下易解理;(100)和(110)面晶体的损伤形貌同样为熔融坑,但损伤阈值及光热弱吸收与晶面无明确的关联。     

ZrO2薄膜微结构及其抗激光损伤特性研究

通过分析ZrO2薄膜电子束沉积时氧压、衬底转动及温度对薄膜相结构、晶粒尺寸和粗糙度的影响,对ZrO2薄膜微结构特性与抗激光诱导损伤性能的关系进行了研究.ZrO2薄膜衬底无转动沉积时晶体以四方相为主,而转动沉积时形成具有较高激光损伤阈值的单斜相结构.薄膜晶粒尺寸和粗糙度均随氧压的升高而减小,四方相受氧压影响变化明显高于单斜相,氧压的继续升高使多晶形态向非晶形态逐渐转变.多晶结构的损伤阈值随着晶粒尺寸的减小而增高,薄膜表面粗糙度随着沉积温度的升高略有增加,且多晶结构的损伤阈值明显要高于非晶结构,ZrO2薄膜损伤阈值(E)与粗糙度(σ)基本符合关系:Eσα=β(α=1.41,β=2.25).     

磁控溅射YSZ薄膜的激光损伤阈值

利用射频磁控溅射方法在不同衬底上制备出掺Y2O3 8 %的YSZ薄膜, 用X射线衍射、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜和透射光谱测定薄膜的结构、表面特性和光学性能, 研究了退火对薄膜结构和光学性能的影响。结果表明：随着退火温度的升高, 薄膜结构依次从非晶到四方相再到四方和单斜混合相转变, AFM分析显示薄膜表面YSZ颗粒随退火温度升高逐渐增大, 表面粗糙度相应增大, 晶粒大小计算表明, 退火温度的提高有助于薄膜的结晶化, 退火温度从400 ℃到1100 ℃变化范围内晶粒大小从20.9 nm增大到42.8 nm; 同时根据ISO11254-1激光损伤测试标准对光学破坏阈值进行了测量, 发现与其他电子束方法制备的YSZ薄膜损伤阈值结果比较, 溅射法制备的薄膜损伤阈值有了一定程度的提高。     

化学清洗对玻璃表面层光学特性的影响

利用p-偏振双面反射法、原子力显微术及激光损伤实验，对经不同化学清洗的K9平板玻璃基片表面的光学特性进行了综合表征。实验结果表明，经酸洗的玻璃表面，其消光系数明显减小，而光洁度和激光损伤阈值明显提高；通过进一步的碱洗，玻璃表面的光学性能仍可得到一定的改善。另外,随玻璃基片清洗程序的不断深入,p-偏振双面反射法测得的玻璃表面层光学参量的变化趋势，与观测的表面粗糙度及激光损伤阈值的变化趋势一致。     

用于全固态355 nm紫外激光器的三波长高反膜

为了提高激光损伤阈值,采用离子束辅助电子束成膜的方法制备具有355,532,1064 nm三个波长的高反膜.首先使用Lambda950型分光光度计对薄膜样品的光谱性能进行测试,然后验证不同的基底材料及不同的基底清洗工艺对薄膜激光损伤阈值的影响,最后在不同的工作真空度下对薄膜的弱吸收能力和激光损伤阈值等进行较为系统的研究,分析薄膜的弱吸收能力与激光损伤阈值之间的联系.结果 表明,三个波长下的反射率均满足全固态355 nm紫外激光器所要求的光学性能指标,当工作真空度增加到一定程度时,薄膜的激光损伤阈值与弱吸收值不再是对应的关系,而是存在一个最佳值,说明该高反膜可以用于全固态355 nm激光器中的反射镜.     

K9玻璃表面的1064nm激光损伤

K9玻璃是一种性能优异的光学材料，作为激光薄膜的基底，其抗激光损伤的特性和能力，直接影响高功率激光薄膜的性能，特别是对激光增透，偏振膜。本论文采用10ns的1064m激光，实验研究了K9玻璃前后的激光损伤特性，用Normski显微镜分析损伤图貌，结果显示玻璃前后表面的激光损伤表现不同。前表面主要表现为烧伤，后表面主要表现为破斑，前后表面的损伤阈值之比约为1．4。后表面的损伤形貌与前表面相比，基本为灾难性损伤，多次激光脉冲打击显示，后表面的激光损伤尺度随着激光脉冲数呈指数增长。     

Effect of sputtering power on optical properties of prepared TiO2 thin films by thermal oxidation of sputtered Ti layers

In this research, TiO₂ thin films prepared via thermal oxidation of Ti layers were deposited by RF-magnetron sputtering method at three different sputtering powers. The effects of sputtering power on structure, surface and optical properties of TiO₂ thin films grown on glass substrate were studied by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopic (AFM) and UV–visible spectrophotometer. The results reveal that, the structure of layers is changed from amorphous to crystalline at anatase phase by thermal oxidation of deposited Ti layers and rutile phase is formed when sputtering power is increased. The optical parameters: absorption coefficient, dielectric constants, extinction coefficient, refractive index, optical conductivity and dissipation factor are decreased with increase in sputtering power, but increase in optical band gap is observed. The roughness of thin films surface is affected by changes in sputtering power which is obtained by AFM images.     

非理想参数下193nm光学薄膜的设计

193nm光学薄膜是100nm步进扫描光刻机系统中主要用到的光学薄膜。分析了膜料光学常数的不确定性、高折射率膜材料消光系数、水吸收以及膜层表面粗糙度对薄膜光学性能的影响。结果表明，要镀制出反射率大于98．5％的高反膜．必须将高折射率材料的消光系数k控制在0．0034以内，同时膜层表面的粗糙度σ控制在1nm以内。膜层性能同时还受其使用环境中水气含量及其水气中杂质含量的影响，要减少膜层水吸收的影响．就必须提高薄膜的致密度．采用离子成膜技术．或者改变膜层的使用环境。在考虑相关因素的前提下，设计了在光刻机曝光系统中主要用到的增透膜、高反膜．并分析了其实际性能与设计结果存在差别的原因。     

定向离子清洗对基片表面性质的影响

为提高高功率激光薄膜的抗激光损伤能力，研究了定向离子清洗对玻璃基片表面性质的影响。用End-Hall型离子源在不同清洗参数下对K9玻璃基片进行了清洗，用光学显微镜验证了基片的二次污染和离子的清洗效果，用静滴接触角仪测量了基片在离子清洗前后对水滴的接触角，用原子力显微镜和轮廓仪分别观测了不同参数的离子清洗前后的基片表面形貌和粗糙度，分析了基片清洗后表面性质如清洁、表面能、接触角、表面粗糙度、表面形貌的变化机理。研究表明定向离子清洗可有效去除二次污染、增加基片表面能、控制基片表面粗糙度和表面形貌，是一种有效改善基片表面性质的处理方法。     

退火温度对ZnO掺杂ITO薄膜性能的影响

利用电子束蒸镀方法,在K8玻璃衬底上沉积ZnO掺杂ITO(ZnO-ITO)与ITO薄膜。研究不同退火温度对ZnO-ITO薄膜的微观结构的影响;对比分析了在不同退火温度条件下,ZnO-ITO和无掺杂ITO薄膜的光电性能。结果发现,ZnO-ITO薄膜具有较大的晶粒尺寸,随着退火温度的上升,晶体结构得到改善,表面粗糙度减小,薄膜的光电性能显著提高。ZnO-ITO薄膜经过500℃退火后得到最佳的综合性能,其表面均方根粗糙度(RMS)为32.52nm,电阻率为1.43×10-4Ω.cm;对442nm波长的光,透射率可达98.37%;与ITO薄膜相比,ZnO-ITO薄膜具有显著的抗PEDOT:PSS溶液腐蚀的能力。     

Structures for organic diode lasers and optical properties oforganic semiconductors under intense optical and electrical excitations

The challenges to realizing diode lasers based on thin films of organic semiconductors are primarily related to low charge carrier mobility in these materials. This not only limits the thickness of organic films to ⩽100 nm in electrically pumped devices, but it also leads to changes in the optical properties of organic films induced by the large number of carriers trapped in the materials subjected to an intense electrical excitation. We describe organic waveguide laser structures composed of thin organic films and transparent indium-tin-oxide electrodes. These waveguides allow for efficient injection of an electrical current into the organic layers and provide for low optical losses required in a laser. The changes in the optical properties of organic thin films induced by electrical excitation are studied using electroluminescence and pump and probe spectroscopy. Induced transparency and absorption observed in the organic materials may be related to triplet excitons or trapped charge carriers. Pump-induced absorption is also observed in organic films under quasi-CW optical excitation. These effects must be taken into account both in the design of organic diode laser structures and in the selection of charge transporting materials     

光学薄膜弱吸收测试装置参数优化

光学薄膜对入射光的弱吸收特性是评价元件质量的重要参数.在高能激光作用下,即使十分微弱的吸收也将足以导致薄膜元件的灾难性破坏.因此,有必要对光学薄膜的平均吸收及局部吸收进行精确、快速、实时的检测.从光热偏转技术发展而来的表面热透镜法由于其对测试装置要求的放宽,并且同样拥有较高的测试精度,是测试元件薄膜弱吸收特性的有效方法...     

缺陷诱导光学薄膜光场增强损伤分析

高损伤阈值的光学薄膜是高功率激光系统的关键器件。众多研究显示,纳米量级的缺陷是光学薄膜激光损伤的主要诱因,是制约光学薄膜向高损伤阈值发展的主要因素。基于有限差分时域方法分析了纳米大小的缺陷诱导SiO₂光学薄膜的局部光场增强导致的激光损伤。结果显示:缺陷的存在使SiO₂单层薄膜的光场分布发生了变化,无缺陷的SiO₂薄膜峰值光场位于膜层表面,而有缺陷的SiO₂薄膜峰值光场位于缺陷与薄膜的边界处,光场增强了约2.3倍;同时缺陷诱导的光场局部增强不仅依赖于缺陷与膜层之间的相对折射率,而且也依赖于缺陷的大小、缺陷在膜层中的分布深度,以及入射激光波长。缺陷与膜层的相对折射率越大,缺陷的直径越大,缺陷在膜层中的深度越小,入射激光波长越短,光场增强越大。研究结果显示光学薄膜中纳米大小的缺陷诱导的光场增强不可忽视,在研究光学薄膜的激光损伤过程中应予以考虑。     

脉冲激光对石英基底Ta2O5/SiO2滤光膜的损伤效应研究

随着高能激光系统的发展,对光学薄膜抵抗激光损伤能力的要求越来越高,而激光脉宽是脉冲激光对薄膜损伤行为的重要影响因素。针对Ta₂O₅/SiO₂多层膜,基于1-on-1测试方法,分析其在飞秒、皮秒、纳秒激光作用下的损伤特性。测得800 nm飞秒激光作用下的损伤阈值为1.67 J/cm₂;532 nm和1 064 nm皮秒激光作用下的损伤阈值分别为1.08 J/cm²和1.98 J/cm²;532 nm和1 064 nm纳秒激光作用下的损伤阈值分别为9.39 J/cm₂和21.57 J/cm₂,并使用金相显微镜观察了滤光膜的损伤形貌。实验结果表明：飞秒激光对滤光膜的损伤机理主要是多光子电离效应,而皮秒和纳秒激光对滤光膜的损伤机制主要是热效应。滤光膜在飞秒激光作用下的损伤阈值与皮秒激光作用下的损伤阈值相当,纳秒激光作用下的损伤阈值要高一个数量级,透射通带外损伤阈值约为通带内损伤阈值的2倍。     

Control of the structure and surface morphology of gallium nitride and aluminum nitride thin films by nitrogen background pressure in pulsed laser deposition

Thin films of AlN and GaN were grown by pulsed laser deposition on c-plane sapphire substrates. It is demonstrated that the structure and surface morphology of layers can actively be controlled by adjusting the nitrogen partial pressure during the growth. The observed trends in the structural quality of the thin films can be attributed to the changes in the surface diffusion of adatoms. It is argued that the surface diffusion of adatoms can be influenced by the collisions between the nitrogen gas molecules and the activated atoms which can reduce the kinetic energy of activated atoms and increase the rate of formation of immobile surface dimers. Through these nitrogen pressure related effects, thin films with microstructure ranging from crystalline to amorphous can be produced. The observed similar impact of nitrogen pressure on the growth of GaN and AlN thin films indicates that a pressure assisted growth procedure is generally applicable to design the surface morphology of group III-nitride thin films. A minimal surface root mean square roughness of 0.7 nm for amorphous AlN is obtained which compares well with the substrate roughness of 0.5 nm. Rutherford backscattering spectroscopy of thin films of GaN and AlN showed a large incorporation of oxygen which was found to reduce the lattice constants of GaN and AlN.