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高损伤阈值介质膜层的制备及其研究

刘强  
【摘要】:强激光系统中的所有光学元件并不都具有相同的抗激光损伤阈值,某一种或两种元件通常就可能限制了激光系统的正常运行。实验表明,薄膜光学元件的损伤阈值是限制强激光系统功率密度提高的瓶颈之一。而影响薄膜激光损伤阈值的因素有:①基体材料、镀膜材料、膜层组合,②镀膜工艺、基片处理、膜层预处理效应,③所用的强激光参数。尽管这三类因素的相互作用关系是复杂的,但是阈值大小却是所有这些因素最直接的综合反映。 本文从安装调试一台电子束蒸发镀膜新设备(上海曙光机械制造厂生产)开始,首次成功地制备了HfO_2+Al_2O_3混合膜层。同时,对镀膜材料选用、K9玻璃基片清洗工艺、薄膜制备、薄膜特性表征、激光损伤阈值等几方面又进行了研究。分析比较了激光辐照损伤的雪崩电离理论模型、多光子吸收电离理论模型、杂质缺陷吸收理论模型的特点,得到高损伤阈值的镀膜材料的选择原则,是选用具有带隙较大的介质材料。结合我们的实验,着重讨论了等离子体闪光、透射反射扫描和散射光的激光辐照损伤判别方法。获得如下主要结果: 1.安装、调试了电子束蒸发镀膜新设备。 2.为了提高薄膜元件的激光损伤阈值,选择混合膜料。讨论了HfO_2+Al_2O_3混合膜料选择的根据,所作分析结果未见报道。 3.成功地制备了HfO_2+Al_2O_3、ZrO_2+Y_2O_3、HfO_2、Al_2O_3等膜层及混合膜。其中,在K9玻璃基片上制备HfO_2+Al_2O_3混合膜在国内是首次。并得到该薄膜的最佳工艺条件:HfO_2和Al_2O_3的质量比为90∶10,本底真空度2×10~(-3)Pa,工作真空度6×10~(-3)Pa,电子枪功率0.98~1.05kW,基片温度250℃。光电子能谱(XPS)检测结果表明,该膜层是均匀的。 与现有的膜层损伤闭值相比较,我们所制备的HfOZ+A12O3(90:10) 混合膜的闭值是高的。其研究内容和结果均未见报道。 4.镀制了Z心2+YZO3薄膜 不同膜厚的ZrOZ+YZO3(80:20wt%)膜层,其激光损伤闭值相同, 与膜层厚度无关。在膜厚小于Zoonln时,膜层表面粗糙度随膜厚增加而 迅速减小;膜厚大于200lun时,表面粗糙度随膜厚增加而逐步减小,并 趋向于Kg玻璃衬底的粗糙度。 5.X射线衍射( XRD)分析表明,所有薄膜均为无定形结构。用椭圆 偏振法测定了薄膜折射率,结果表明膜层折射率稳定。光电子能谱(XPS) 检测结果表明:薄膜表层存在有碳和水气;不存在金属杂质污染。 6.采用相衬显微镜、雾气法、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微 镜(AFM)等测试方法,观测了薄膜损伤形貌,分析了损伤特点,并把 损伤形貌分为六类。其中,用电子显微镜观察损伤,国内未见报道。 7.进行了激光损伤闭值的研究,其中部分内容未见报道。 ①为了充分利用R一on一1测试法所获得的实验数据,采用平均值数据 处理方法(不同于极小值数据处理方法),给出了表示样品损伤阂值分布 的相关参数(标准偏差,平均相对偏差),得出了标准偏差和相对偏差随 束斑增大而减小的趋势的结论。并解释了R一。n一1测试法得到的同一样品 不同测试点之间的损伤闭值相差一倍以上的实验现象。其研究结果未见报 道。②对1一on一1测试法的实验结果分别采用线性拟合与非线性拟合进行 了比较研究,发现有的样品采用非直线拟合得出的零几率损伤闭值与实际 情况更接近一些。其研究结果未见报道。 8.给出了一个优化的Kg玻璃基片清洗新工艺,为大口径基片清洗提 供了一个很有价值的参考工艺;该清洗工艺对其表面粗糙度和面形均没有 产生负面影响:该清洗工艺能够有效地去除污物、对人体危害小、对环境 污染小、能有效防止二次污染。整个工艺过程的重复性好。经新清洗工艺 清洗后镀制的膜层的激光损伤闭值比一般清洗的损伤闭值高出一倍多。该 新工艺是本文的创新工作之一。 关键词:电子束蒸发,薄膜,数据处理,损伤闽值,基片清洗工艺。


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