三倍頻強雷射薄膜元件的離子後處理機理研究

《三倍頻強雷射薄膜元件的離子後處理機理研究》是依託深圳大學，由張東平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：三倍頻強雷射薄膜元件的離子後處理機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張東平
• 依託單位：深圳大學

項目摘要

薄膜的雷射損傷問題是嚴重影響雷射系統穩定性和限制雷射技術向高能量方向發展的瓶頸之一，特別對三倍頻薄膜而言，其雷射損傷問題尤其突出，現已成為國際上強雷射領域研究的熱點之一。提高薄膜雷射損傷閾值除了探索新的沉積方法和沉積工藝外，採用後處理技術也是提高薄膜抗雷射損傷能力的重要途徑之一。本項目將探索採用一種新的提高薄膜雷射損傷閾值的後處理技術- - 離子後處理。在對基頻和倍頻薄膜離子後處理研究的基礎上，通過薄膜對不同波長離子後處理後雷射損傷特性的比較分析，以及離子後處理後三倍頻薄膜雷射損傷閾值和薄膜類型的相關性分析，得出三倍頻強雷射薄膜元件的離子後處理機理，並以此為基礎，建立離子後處理參量與薄膜雷射損傷相關性物理模型。

結題摘要

薄膜的雷射損傷問題是嚴重影響雷射系統穩定性和限制雷射技術向大功率高能量方向發展的瓶頸之一，特別對三倍頻薄膜而言，其雷射損傷問題尤其突出，是當今國際上強雷射領域研究的熱點和難點之一。針對三倍頻薄膜及元件的雷射損傷問題，本項目首先在對HfO2，Al2O3，MgF2，AlF3等常見三倍頻薄膜材料的來源和沉積工藝對三倍頻雷射損傷特性影響的基礎上，分別採用氧電漿及氬氧混合電漿對Al2O3薄膜、Al2O3/SiO2高反射膜等相關薄膜元件進行後處理，分析了處理前後薄膜的三倍頻雷射損傷特性及損傷機理。研究發現，不同於微米級缺陷是基頻薄膜雷射損傷的主要源頭，三倍頻薄膜的雷射損傷源頭則為高密度的納米級缺陷。採用電漿輻照處理，對於納米級缺陷密度的降低能力非常有限，所以提高三倍頻薄膜的雷射損傷閾值也非常有限。為了提高三倍頻薄膜的雷射損傷閾值，項目進一步從襯底處理工藝、駐波電場最佳化設計、應力匹配設計等幾方面研究三倍頻薄膜雷射損傷閾值提高的可能途徑。研究表明，單層膜受限於基底的影響，其損傷閾值表現的是薄膜與基底的耦合結果，而不是單純的薄膜的結果，47%的HF溶液對熔石英襯底進行10min的刻蝕可以明顯提高其雷射損傷閾值，其上Al2O3薄膜的三倍頻雷射損傷閾值達到9J/cm2，而MgF2薄膜的三倍頻雷射損傷閾值從3-4 J/cm2提高到5-7J/cm2，效果明顯；在駐波電場最佳化設計方面，HfO2/SiO2/LaF3/AlF3組合355nm高反膜而言，SiO2中間層的引入降低了界面處的電場強度，提高了其雷射損傷閾值；在應力匹配設計方面，在氟化物底層引入SiO2內保護層，可以明顯降低氟化物薄膜的殘餘應力，消除基底亞表面缺陷對薄膜的影響，並降低薄膜表面缺陷密度，進而提高氟化物薄膜的抗雷射損傷性能。其中膜繫結構為6SH(LH)^10的樣品獲得了高達20J/cm2的雷射損傷閾值（355 nm，8ns）。純氟化物膜系殘餘應力較大，且高低折射率材料折射率差別較小，很難製備出反射率滿足要求的薄膜，考慮Al2O3/SiO2高反膜具有較高的雷射損傷閾值，且不存在應力開裂的問題，因此可以作為組合高反膜的氧化物基體，以在降低殘餘應力的同時提供足夠的反射率。本項目研究結果對高雷射損傷閾值三倍頻薄膜的製備具有重要參考價值。