激光薄膜缺陷研究

薄膜缺陷是影响薄膜元件抗激光损伤的重要因素之一,长期以来一直是人们关注和研究的问题。首先介绍了薄膜缺陷的种类、特点及成因。在此基础上,分析了缺陷对激光损伤阈值的影响以及激光预处理对缺陷的影响。最后,对于如何减少缺陷和提高损伤阈值作了讨论。     

后处理对HfO_2薄膜光学特性及抗激光损伤阈值的影响

利用电子束蒸发技术制备了氧化铪薄膜,并分别用氧气氛下退火和激光预处理两种后处理方法对样品进行了处理。介绍了两种后处理工艺和相关的设备,测试分析了样品的透过率、吸收和抗激光损伤阈值。对比了两种后处理方法对降低吸收和提高激光损伤阈值的效果,讨论了它们的作用原理。实验结果表明,激光预处理能有效降低样品的吸收值,提高样品的抗激光损伤阈值。采用一步法(50%初始损伤阈值)预处理后,三倍频氧化铪薄膜的损伤阈值从13J/cm~2提升到15J/cm~2;采用两步法(依次50%、80%初始损伤阈值)预处理后,三倍频氧化铪薄膜的损伤阈值从13J/cm~2提升到17.5J/cm~2,损伤几率曲线整体向高通量区域平移。     

离子后处理对TiO2光学薄膜及损伤特性的影响

为了进一步提高TiO_2薄膜的光学特性和激光损伤阈值,采用电子束蒸发技术在K9玻璃上沉积了单层TiO_2薄膜,并用Ar/O混合等离子体对样品进行后处理。通过研究薄膜光谱特性、表面缺陷密度、薄膜表面形貌、薄膜损伤阈值以及薄膜损伤形貌,分析了等离子体后处理时间对TiO_2薄膜激光损伤特性的影响。实验结果表明,随着等离子体后处理时间的增加,薄膜折射率及致密度提高,物理厚度减少,表面粗糙度下降,表面缺陷密度先减少后增加;在1 064nm激光辐射下,TiO_2薄膜的激光损伤阈值从未经等离子后处理的5.6J/cm~2提升至后处理20min的9.65J/cm~2,提升幅度高达72.3%,因此能够更广泛更稳定地应用在激光器中。     

纳秒激光薄膜损伤机理和应用研究

根据我国强激光装置建设和工程任务对强激光薄膜元件的需求,基于对薄膜损伤机制的认识,同济大学提出了“全流程定量化”控制缺陷制备激光薄膜的思路。同济大学利用结构、性质可控人工小球制作定量化人工缺陷,系统研究了基板加工、超声清洗、电场模拟与调控、镀膜材料与工艺选择、镀后后处理、激光预处理、传递与保存等因素对薄膜元件激光损伤特性和损伤规律的影响。从损伤形貌和损伤规律上证实了节瘤缺陷电场增强理论模型的正确性,促进了研究人员对节瘤缺陷损伤机制的认知深度,提出了提升薄膜损伤性能的新途径,创建了新材料,实现了可兼顾环境稳定性、光谱特性和损伤特性的多功能强激光薄膜制备,有力支撑了我国强激光装置建设和激光技术的进一步提升。     

紫外激光单脉冲辐照损伤金属薄膜的数值模拟研究

针对不同厚度的镍膜以及金膜,利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics研究了波长248nm、矩形脉冲宽度14ns激光辐照损伤阈值随膜厚变化的物理过程。本研究与他人的理论计算和实验测得的结果基本一致,研究表明:在高强度单脉冲激光均匀辐照下,金属薄膜表面的损伤主要是由于激光能量在其材料内部的沉积而导致的热效应引起的;当金属薄膜的厚度小于其光学吸收长度时(镍膜厚度<8nm,金膜厚度<12nm),其熔融损伤阈值随着薄膜厚度的增加而减小;当薄膜厚度大于光学吸收长度而小于其热扩散长度时(镍膜厚度8~730nm,金膜厚度12~1 050nm),其熔融损伤阈值随薄膜厚度增加而线性增加;当薄膜厚度大于其热扩散长度时(镍膜厚度>730nm,金膜厚度>1 050nm),其熔融损伤阈值随薄膜厚度的增大基本保持不变。     

高性能偏振膜的研制

综述了国内外科研人员在高性能偏振膜的研制方面开展的工作,主要涉及偏振膜光谱性能、抗激光损伤阈值和膜层应力控制等方面的研究。针对我国神光系列装置对偏振膜的性能要求,简述了中国科学院上海光学精密机械研究所采用电子束沉积技术在光谱性能、损伤阈值和面形精度三个方面开展的研究工作。给出了在薄膜设计、制备和后处理等方面进行的研究和取得的进展。结合上述研究成果,得到了低缺陷密度、低应力的高性能偏振膜。由本科研团队研制的布儒斯特角薄膜偏振器在在2012年和2013年SPIE激光损伤国际会议(SPIE Laser Damage)组织的全球性偏振膜激光损伤阈值水平竞赛中连续取得了p分量损伤阈值和平均损伤阈值最佳的结果。另外,通过解决应力诱导膜层龟裂的重大技术问题,在国内首先推出了大口径偏振片,该大口径偏振片满足透射率TP98%,反射率RS99%的光谱性能要求和17J/cm2(9ns)的通量运行要求,有力支撑了我国SGII-UP大型激光装置的稳定运行。     

基于光散射及灰度值作为判据的光学薄膜激光损伤阈值测量系统

基于ISO11254国际标准,构建了基于半导体激光光散射检测光学薄膜损伤与否的光学薄膜激光损伤阈值测试系统。运用图像处理以及灰度值作为判断薄膜损伤与否的判据,对TiO2/SiO2增透膜进行了阈值测试。由图像处理可得,当光斑图像有效区域内灰度值最大的前50个像素点的平均灰度值在25到33之间时,该区域为薄膜损伤的临界区域,并将测量结果与在Veeco白光轮廓仪观测到的损伤形貌进行对比,具有较好的一致性。     

军用技术转民用推广目录(续)

正17高损伤阈值激光薄膜元件制造及产业化【技术开发单位】中国科学院上海光学精密机械研究所通过建立和优化光学元件机械加工、清洗、镀膜、检测技术,形成完善的高损伤阈值激光薄膜元件制备技术方案及生产流程线,从而完成高损伤阈值、优良光性质量和波面质量的激光薄膜元件制造产业     

激光预处理技术及其应用

回顾了国内在激光预处理技术研究方面取得的进展。综述了基于激光预处理技术提升基频介质膜、磷酸二氢钾/高掺氘磷酸二氢钾(KDP/DKDP)晶体等光学元件抗激光损伤性能的机理、效果和关键技术。针对高功率激光驱动器中关键光学元件激光负载能力的提高,建立了大口径光学元件激光预处理平台,实现了基频介质膜元件的激光预处理工程化作业。比较了纳秒和亚纳秒脉冲宽度激光对DKDP晶体损伤性能的影响。基于亚纳秒激光预处理后,纳秒激光辐照至14.4J/cm2(5ns)尚未出现"本征"损伤的实验结果,提出了用于DKDP晶体的亚纳秒激光预处理方案,并指出亚纳秒激光预处理技术将成为高功率激光三倍频晶体抗激光损伤性能达标的关键技术。     

阶段离子束辅助法制备基频减反膜

在研究阶段离子束辅助制备方式对薄膜性质影响的基础上,采用电子枪蒸发及离子束辅助沉积制备了氧化铪及氧化硅单层膜,采用阶段离子束辅助沉积及全程非离子束辅助沉积制备了基频减反膜。测量了所有样品的弱吸收、残余应力和激光损伤阈值。结果发现,相对电子枪热蒸发制备的样品,离子束辅助沉积的单层膜具有大的弱吸收、低的激光损伤阈值,且张应力减小,压应力增加;阶段离子束辅助沉积制备的减反膜剩余应力变小,弱吸收稍微增加,激光损伤阈值从10.91 J/cm²增加到18 J/cm²。分析表明,离子束辅助沉积在引入提高样品激光损伤阈值有利因素的同时,也引入 了不利因素,阶段离子束辅助沉积在引入有利因素的同时,有效减少了不利因素的引入,从而提高了样品的激光损伤阈值。     

激光预处理提升DKDP晶体加工表面的抗损伤能力

针对晶体表面的损伤特性,采用小光斑扫描激光预处理技术预辐照DKDP晶体元件,并采用表面损伤自动探测系统实时分析每个脉冲辐照后晶体表面的损伤情况,比较预处理和未预处理区域的损伤点密度确定表面预处理效果,并进一步模拟分析表面各类缺陷在纳秒强激光辐照下的动态过程,解释激光预处理对精抛表面提升作用的微观机制并分析它对粗抛表面提升不明显的原因。实验结果表明,激光预处理技术对粗抛表面的提升作用并不明显,但是可以大幅度抑制精抛表面的损伤点密度。在本文的实验条件下,晶体表面的抗激光损伤能力可以提升约60%。比较体材料和精抛表面的预处理效果发现:当体材料的抗破坏能力通过预处理提升后,精抛表面的抗激光损伤能力也会提升,由此可见精抛表面的激光预处理效果与体材料性能相关。     

按照国标的光学薄膜损伤阈值测试装置

按照ＩＳＯ／ＤＩＳ１１２５４ 光学表面激光损伤阈值测量标准和等价国标的要求,建立了薄膜的１μｍ ＹＡＧ脉冲激光损伤阈值定量测试装置,对脉冲能量、脉冲持续时间、光束分布及相应的不确定度均进行了测试。     

按照国际的光学薄膜损伤阈值测试装置

按照ＩＳＯ／ＤＩＳ１１２５４光学表面激光损伤阈值测量标准和等价国际的要求,建立了薄膜的１μｍ ＹＡＧ脉冲激光损伤阈值定量测试装置,对脉冲能量、脉冲持时间、光束分布及相应的不确定度均进行了测试。     

磁流变抛光对熔石英激光损伤特性的影响

为进一步提升熔石英元件的激光损伤阈值,研究了氢氟酸(HF)动态酸刻蚀条件下磁流变抛光工艺对熔石英元件激光损伤特性的影响规律。首先,采用不同工艺制备熔石英元件,测量它们的表面粗糙度。然后,采用飞行时间-二次离子质谱法(OF-SIMS)检测磁流变加工前后熔石英元件中金属杂质元素的含量和深度;采用1-on-1方法测试激光损伤阈值,观测损伤形貌,并对损伤坑的形态进行统计。最后,分析了磁流变抛光工艺提升熔石英损伤阈值的原因。与未经磁流变处理的熔石英元件进行了对比,结果显示:磁流变抛光使熔石英元件的零概率激光损伤阈值提升了23.3%,金属杂质元素含量也显著降低,尤其是对熔石英激光损伤特性有重要影响的Ce元素被完全消除。得到的结果表明,磁流变抛光工艺能够被用作HF酸动态酸刻蚀的前道处理工艺。     

大口径传输反射镜的研究进展

针对我国惯性约束聚变装置(ICF)对高性能传输反射镜元件的性能要求,探索了大口径传输反射镜制备涉及的关键技术与工艺。深入开展了K9玻璃坯片研制、光学冷加工、传输反射镜镀膜和激光预处理等方面的研究工作。提出了400mm口径K9反射类坯片精密退火工艺,形成了高精度平面加工技术路线;制备了低缺陷薄膜,并且建立了大口径光学元件预处理装置。最后,综述了大口径高性能传输反射镜研制方面的主要成果。研制的400mm口径传输反射镜在1053nm处以45°入射时,其表面粗糙度优于99.8%,面形PV值小于λ/3(λ=1 053nm),损伤阈值大于30J/cm2(5ns)。基于提出的技术研制的大口径传输反射镜已成功应用于我国神光系列高功率激光装置,有力支撑了我国大型激光装置的稳定运行。     

湿法化学刻蚀技术处理抛光熔石英元件

为了提高熔石英元件的抗激光损伤能力,采用基于氢氟酸刻蚀的湿法化学技术去除元件内的激光损伤诱因。利用不同的氢氟酸溶液处理经氧化铈抛光的熔石英元件,并对元件的刻蚀速率、表面洁净度、粗糙度、透过率和激光损伤性能进行评价。研究结果表明,与传统的静态刻蚀相比,在质量分数为6%的氢氟酸刻蚀溶液中引入能量密度约为0.6 W/cm^2的兆声能量对元件的溶解速率和激光损伤性能没有明显的提升作用;化学刻蚀产生的沉积物对元件表面粗糙度和透过率均有不利影响,且沉积物比例与所用的刻蚀液成分和浓度密切相关;经质量分数6%或12%的纯氢氟酸溶液刻蚀(5±1)μm深度后,熔石英元件的激光损伤阈值相比于未刻蚀元件提升了约1.9倍;熔石英元件的激光损伤性能与表面粗糙度和透过率之间不是简单的线性关系,但激光损伤阈值较理想的元件(>20 J/cm^2@3ns)往往具有较光滑的表面,即表面粗糙度<2 nm,由此可以确定有利于熔石英元件激光损伤性能的刻蚀条件,并获得元件表面粗糙度的控制指标。     

9.3μm脉冲CO_2激光倍频实验

介绍了利用9.3 μm脉冲TEACO_2激光通过AgGaSe_2晶体二次谐波产生(SHG)技术实现4.65 μm中红外波段激光输出的实验研究.根据非线性光学原理和倍频技术的基本要求,通过有针对性的技术手段选择TEACO_2激光器的输出谱线并控制脉冲波形的时间分布,使之满足激光倍频实验对泵浦脉冲光源在波长和输出时间分布上的基本要求,并以此为基波光源进行了产生二次谐波的实验研究.实验结果显示,即使是相同的AgGaSe_2倍频晶体材料,也会由于生产厂商的不同而具有完全不同的表面破坏阈值行为,而相同点是体损伤阈值均大于表面损伤阈值.实验获得倍频输出最大能量为12.9 mJ;倍频输出最高平均功率为940 mW. 4.65 μm中红外波段激光输出的实验研究.根据非线性光学原理和倍频技术的基本要求,通过有针对性的技术手段选择TEACO_2激光器的输出谱线并控制脉冲波形的时间分布,使之满足激光倍频实验对泵浦脉冲光源在波长和输出时间分布上的基本要求,并以此为基波光源进行了产生二次谐波的实验研究.实验结果显示,即使是相同的AgGaSe_2倍频晶体材料,也会由于生产厂商的不同而具有完全不同的表面破坏阈值行为,而相同点是体损伤阈值均大 表面损伤阈值.实验获得倍频输出最大能量为12.9     

高抗激光损伤阈值光栅后处理抛光技术研究

脉冲压缩光栅是实现高能量激光的核心光学元器件,其制造过程中产生的表面污染物和微结构缺陷成为限制高功率激光系统发展的技术瓶颈,为了提升光栅的激光诱导损伤阈值,提出利用磁性复合流体进行脉冲压缩光栅(PCG)后处理抛光研究。对抛光前后光栅样品的微观结构,表面形貌、表面粗糙度、衍射效率和激光诱导损伤阈值等参数进行测量,进行抛光前后光栅表面质量和光栅性能的评估。研究发现,磁性复合流体抛光能够在不破坏实际光栅结构的前提下抑制加工过程产生的毛刺,微结构缺陷等;经3 min抛光后,光栅顶部表面粗糙度从21.36 nm下降到3.73 nm;激光诱导损伤阈值从2.8 J/cm²提高到3.8 J/cm²,抗激光损伤性能提升35.7%,且不影响衍射效率。实验结果表明：磁性复合流体抛光是一种可以提高光栅元件表面质量,提升光栅元件光学性能的有效方法。     

基于激光辐照的铜薄膜疲劳损伤修复最佳参数研究

首先对无损伤铜薄膜试件进行疲劳试验,测得S—N曲线。然后预制疲劳损伤程度为40%的铜薄膜试件,利用准分子激光器对其进行损伤修复。通过对比激光辐照处理前后试件的剩余寿命,可以得到如下结论,对于损伤程度为40%的25μm铜薄膜试件,最佳修复能量度约为5×103J/m2,最佳脉冲个数约为30;能量密度对于修复效果的影响程度强于脉冲个数的影响程度;运用激光辐照进行损伤修复是切实可行的。     

串联光伏电池非晶硅薄膜的Nd3+∶YAG激光辅助掺杂与同时毛化

对结合激光辅助掺杂和毛化方法合成的光伏电池用Sb掺杂非晶硅薄膜进行了研究.首先,用阈值通量为460mJ/cm2的激光照射镀有200～300 nm厚Sb的非晶硅薄膜进行施主扩散.为激活施主,样品用230mJ/cm2的低激光通量再一次进行处理.进行施主激光扩散和活化时,激光光斑的重叠度达到光斑大小的90％,因此随后诱发了薄...