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巴黎光学精密机械探讨所激光薄膜“生长性”损伤难题切磋获进展

近日,中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室在脉宽压缩光栅光致损伤研究中取得新进展。

近期,中国科学院上海光学精密机械研究所激光薄膜“生长性”损伤问题研究取得新进展,中科院强激光材料重点实验室提出面向凹坑型缺陷的“缝合”技术,以及基于电子束双源共蒸的渐变界面多层膜技术,并通过实验证明能大幅度提高抗激光损伤阈值。

高功率激光系统的输出水平与薄膜元件的抗激光损伤能力密切相关。薄膜元件的抗激光损伤能力主要受限于薄膜中各种类型的缺陷,缺陷包括来源于基底、膜层以及镀膜后各个环节的缺陷。随着镀膜工艺的进步,起源于膜层中的缺陷在很大程度上得到了有效抑制。起源于基底的缺陷在薄膜元件激光诱导损伤过程中所起的作用日益突出,已成为制约Nd:YAG激光基频波长薄膜元件损伤阈值提升的关键因素。然而,该类缺陷对激光薄膜影响程度的科研报道较少,且大部分处于定性研究,基底缺陷影响薄膜元件损伤阈值的机制尚未明朗。基底缺陷包括吸收性杂质缺陷、表面划痕和坑点等结构性缺陷,中国科学院上海光学精密机械研究所中科院强激光材料重点实验室在国际光学期刊Opt.Lett.上发表原创性论文[Opt.Lett.40,3731-3734(2015)]、[Opt.Lett.40,1330-1333(2015)],提出利用飞秒激光加工坑点,揭示起源于基底表面的结构性缺陷诱导薄膜元件激光损伤的机制。

科研人员明确了金膜与基底材料的结合力是限制光栅阈值提高的主要原因,提出在石英光栅结构基底镀制金膜的方法以提升金光栅的损伤阈值,研究确定了“三明治”光栅的初始损伤位于HfO2层,并通过分析指出HfO2是限制金属介质光栅阈值提升的主要因素,为进一步提高其损伤阈值指明了方向。科研人员提出采用非对称光栅结构降低局部电场增强效应,采用双底角光栅设计,使光栅在保持宽带高衍射效率的同时,其电场增强极值减少21.3%,此结构能够有效提高光栅阈值。

科研人员利用飞秒激光加工技术获得不同尺寸的坑点(直径:2-9μm,深度:0.2-0.6μm),定量化实验研究了基底表面不同尺寸的坑点对Nd:YAG激光基频波长高反射薄膜元件抗激光损伤性能的影响;为有效抑制凹坑型缺陷导致的微裂纹及电场和应力增强,科研人员提出了面向基底表面凹坑型缺陷的“缝合”技术,将坑点上基频反射膜层的损伤阈值从~20J/cm2提升至~80J/cm2;针对分层剥落的损伤问题,提出基于电子束双源共蒸的渐变界面多层膜技术,解决了传统多层膜中离散界面引起的诸多问题,将三倍频反射膜的本征损伤阈值提升两倍以上。

上海光机所中科院强激光材料重点实验室借助飞秒激光微加工平台在石英基底上制作了特定大小的坑点缺陷。对沉积在有飞秒激光加工坑点和常规基底上的减反射膜和高反射膜的激光诱导损伤行为进行了研究与对比分析。

脉宽压缩光栅是啁啾脉冲放大技术中的关键元件,其主要特点为宽带宽、高衍射效率、高损伤阈值和大尺寸。随着高功率激光装置的发展,脉宽压缩光栅抗激光损伤能力的提升至关重要,其直接影响着高功率激光装置的输出能力。

相关成果发表在国际期刊《科学报告》[Scientific Reports, 6, 27076]和《光学快报》[Optics Letters 41, 15, 3403-3016;Optics Letter 41, 6, 1253-1256]上。

研究结果表明,对于减反射膜而言,吸收性杂质缺陷在激光诱导损伤机制中扮演着极为重要的角色。基底表面/亚表面的吸收性杂质缺陷在薄膜制备过程中向基底表面迁移并聚集成更大尺寸的杂质颗粒,进而与膜层发生耦合,诱导减反射膜元件在能流密度远低于膜层本征激光损伤阈值的激光辐照下发生损伤。通过相应的技术手段可以有效抑制基底缺陷与膜层的耦合,从而提升减反射膜的抗激光损伤能力。

该项研究得到了上海科学技术委员会专项以及国家自然科学基金等的支持。相关研究成果发表在Optical Materials 等期刊上。

目前,应用高功率激光系统的反射膜元件的功能性损伤阈值受限于一类“生长性”损伤点。在多个脉冲的激光辐照下,这类损伤点的横向尺寸和纵向深度会不断增大,最终导致元件无法使用。2013年10月NIF官网(NIF Status Update)报道的NIF装置对传输反射镜的更换,也正是因为传输反射镜在使用过程中出现了这类损伤点。介质膜元件的“生长性”损伤问题是近年来薄膜损伤研究的热点之一。初步研究结果表明:基底表面的结构性缺陷是引起“生长性”损伤点的主要源头之一,其典型的初始损伤形貌为分层剥落伴随大面积的等离子体烧蚀。然而,基底表面结构性缺陷对反射膜元件损伤阈值的影响仍缺乏定量研究,抑制基底表面结构性缺陷对反射膜元件损伤阈值影响的技术途径尚未明确。该研究进展为抑制反射膜“生长性”损伤点,进一步提升薄膜元件的抗激光损伤能力提出了新的方向。

然而,高反射膜的表现则迥然不同,结构性缺陷在高反射膜的激光诱导损伤机制中扮演着更为重要的角色,这主要归因于两点:一、沉积在高反射膜上方的膜层中出现裂纹,导致膜层力学性质发生改变;二、结构性缺陷导致膜层内部与膜层界面处电场发生增强。