基於電子束雙源共蒸的“無界面”高功率雷射薄膜技術

《基於電子束雙源共蒸的“無界面”高功率雷射薄膜技術》是依託中國科學院上海光學精密機械研究所，由朱美萍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於電子束雙源共蒸的“無界面”高功率雷射薄膜技術
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：朱美萍
• 依託單位：中國科學院上海光學精密機械研究所

項目摘要

與傳統多層膜中離散界面密切相關的分層剝落損傷是一種“災難性”的損傷，也是目前限制高功率雷射反射膜元件的功能性雷射損傷閾值進一步提升的“瓶頸”問題。因此，攻克傳統多層膜中離散界面引起的相關問題，以期實現高功率雷射反射膜元件功能性損傷閾值的突破性提升，已經成為雷射薄膜領域在國際上最受關注的熱點研究課題之一。針對傳統多層膜的離散界面問題，本項目擬設計一種“無界面”多層膜，即通過連續改變兩種鍍膜材料交替時兩種材料的混合比例，形成具有連續過渡區的“無界面”多層膜。基於電子束雙源共蒸技術研究“無界面”多層膜的製備；通過連續過渡界面取代傳統多層膜的離散界面實現“無界面”多層膜；認識和理解“無界面”多層膜的損傷機制。本項目將有望解決離散界面誘導薄膜元件在雷射輻照下產生的“災難性”損傷問題，為未來突破性提升高功率雷射反射膜元件的抗雷射損傷能力提供一種潛在選擇。

結題摘要

研究高功率雷射薄膜產生“災難性”損傷的誘因和損傷機制，以攻克限制反射膜元件功能性雷射損傷閾值提升的“瓶頸”問題，是雷射薄膜領域的熱點研究之一。針對傳統多層膜中兩種鍍膜材料交替的離散界面相關問題誘導多層膜發生分層剝落損傷，限制反射薄膜雷射損傷閾值提升的問題，本項目設計了一種“無界面”多層膜，即通過連續改變兩種鍍膜材料交替時兩種材料的混合比例，形成具有連續過渡區的“無界面”多層膜來解決離散膜層界面的問題。 本項目探索了混合物材料膜層特性隨混合比例變化的規律，開展了“無界面”多層膜的膜系設計和膜層製備工作，研究了“無界面”多層膜的雷射損傷特性和損傷機理研究。取得的主要研究結果如下： （1）HfO2/SiO2混合物單層膜的折射率隨著SiO2含量的增加先增大後減少。二維動力學蒙特卡洛模型的模擬結果表明，HfO2單層膜呈現柱狀生長結構，隨著SiO2的引入，柱狀結構逐漸向無定形結構轉變，膜層堆積密度較之前有所增加，膜層折射率隨之增加。隨著SiO2含量的進一步增加，混合物膜層呈現無定形結構，膜層折射率的變化符合等效折射率模型，即膜層折射率隨著SiO2含量的增加而減少。 （2）結合光譜性能和雷射損傷閾值要求設計了“無界面”多層膜，將漸變界面的厚度設計為~7nm，並實現了“無界面”多層膜的製備。製備的“無界面”多層膜具有與傳統多層膜相當的光譜性能和更高的雷射損傷閾值。雷射損傷形貌研究結果表明，“無界面”多層膜有效抑制了分層剝落的損傷形貌。 （3）設計了具有更高界面吸收的“無界面”多層膜，實現了界面吸收和結合力問題的解耦，進而揭示了界面結合力問題是界面成為雷射損傷源的主要因素。 本項目研究結果突破性提升了基頻雷射薄膜損傷閾值，研製的雷射反射薄膜在2018美國勞倫斯利夫莫爾國家實驗組織的雷射損傷閾值國際競賽中取得了第一名的佳績。利用該技術的雷射薄膜成功套用於雷射聚變、超強超短雷射和空間雷射等領域。