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随着激光系统工作波长向紫外延伸,到了355 nm甚至更低(248 nm,193 nm)的紫外波段,常用的光学薄膜材料本征吸收增大,使得薄膜在紫外高功率激光作用下更容易被破坏。本文以提高紫外高功率激光薄膜损伤阈值为目标,探索适合应用于紫外-355 nm的激光薄膜材料体系,重点探讨355 nm高反膜和增透膜的阈值提高方法,并对其破坏过程和机理进行分析。具体工作如下:
选取在355 nm具有应用潜力的Sc2O3,LaF3,MgF2,Al2O3等宽带隙薄膜材料,优化其单层膜的制备工艺,探索其最佳制备工艺参数。分别讨论了沉积温度,氧分压,蒸发速率等条件对薄膜性能的影响,为制备355 nm高功率激光薄膜(高反膜和增透膜)打下基础。
采用LaF3/MgF2研制了355 nm增透膜,讨论了基底温度对样品激光损伤阈值的影响;利用HF酸刻蚀技术去除基底亚表面缺陷,大幅度提高了增透膜的激光损伤阈值。
研制了Sc2O3/SiO2高反膜,获得了5-8J/cm2的激光损伤阈值,在氧化物高反膜体系中属于比较高的水平。为了获得更高的激光损伤阈值,又制备了不同周期数的355 nm LaF3/MgF2高反膜,其中(LaF3/MgF2)16膜系获得了平均21.3 J/cm2以上的高激光损伤阈值。但是随着膜层数继续增大,LaF3/MgF2高反膜由于应力过大而出现了裂纹,严重影响了其抗激光损伤能力,一定程度上限制了该材料体系在355 nm高反膜中的应用。
为了避免因应力而导致的膜裂现象的发生,同时充分挖掘氟化物薄膜材料在紫外高功率激光薄膜中的应用潜质,我们采取了两种方案:一是将MgF2与Al2O3组合制备355 nm高反膜,二是采用HfO2/SiO2/LaF3/MgF2膜堆制备组合高反膜,在获得了99%以上反射率的同时,即解决了膜裂问题又稳定获得了6.10 J/cm2的激光损伤阈值。
理论上,借助温度场理论模型分析了界面吸收层对不同周期数的LaF3/MgF2高反膜的影响,分析了其激光损伤过程和特点,并结合实验结果,证明了界面吸收层是高功率激光作用下薄膜破坏的源头之一。