CN103952670A - 一种基于人工缺陷的激光薄膜定量化研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光薄膜的研究方法，属于薄膜光学技术领域。该方法的步骤为利用不同尺度抛光粉制作人工划痕确定熔石英基板的冷加工、熔石英基板的氢氟酸刻蚀的工艺参数、利用微米尺度单分散小球确定熔石英基板的超声波清洗、熔石英基板的真空离子束清洗工艺参数、利用吸收性的纳米尺度缺陷确定在熔石英基板上制备薄膜的工艺参数、利用微米尺度单分散小球确定缺陷后处理工艺参数。实验证明，采用本发明可以从激光薄膜制备的整个工艺流程上有效控制不同缺陷的尺度，根据不同损伤阈值的要求，确定定量的工艺参数，有效地简化激光薄膜制备工艺流程，可以与现有的基板加工、清洗及薄膜制备工艺兼容。具有工艺重复性好、可控性强、效果明显等优点，完全可以应用于未来的高功率激光薄膜领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光薄膜研究方法，尤其是一种通过人工缺陷定量化确定激光薄膜制备工艺参数的研究方法，属于薄膜光学技术领域。
背景技术
激光薄膜是高功率激光系统中的关键元件，它的损伤阈值直接决定了激光输出的强弱，并影响强激光系统的稳定运行。提高激光薄膜的损伤阈值一直是激光和薄膜领域内的重要内容，是提升激光系统性能的关键。薄膜损伤阈值的高低是众多因素共同作用的结果，其中杂质缺陷吸收是比较关键的因素之一。对于整个激光薄膜来说，在激光薄膜制作的整个过程中都有可能引入缺陷：比如基板加工中再沉积层的吸收性缺陷以及亚表面中的裂纹和抛光粉残留；基板表面吸附的有机物污染以及颗粒；镀膜过程中形成的吸收性缺陷等。如何有效地降低薄膜中的缺陷是提高激光薄膜损伤阈值的关键问题之一。专利[201210480267]，提出了一种激光薄膜的制备方法，通过基板冷加工、基板刻蚀、基板超声波清洗、基板离子束清洗、电子束蒸发镀膜和缺陷激光预处理的全流程工艺降低缺陷密度，有效提高了激光薄膜的损伤阈值。
但是现有的制备方法虽然能将缺陷控制在很好的水平，但是由于薄膜中缺陷的分布具有很大的离散性和不确定性，其形状、尺度、位置、吸收、来源等特征显著不同，增大了系统研究和控制缺陷的难度，并没有对薄膜中的缺陷进行定量化的研究，因此激光薄膜的制备仍然带有盲目性，无法对激光薄膜制备工艺参数的定量化，难以根据不同的损伤阈值要求合理选择工艺参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对以上现有方法存在的问题，依据人工缺陷损伤特性在较大程度上能够模拟或反映真实缺陷损伤特性的原则，提出了一种在激光薄膜制备各环节引入特征可控的人工缺陷，定量研究损伤特性随着某一单因素变化规律的激光薄膜研究方法。
为了解决以上技术问题，申请人对激光薄膜缺陷的产生来源、损伤机制进行了系统深入的研究，提出了如下步骤的激光薄膜定量化研究方法：
1)利用不同尺度抛光粉制作人工划痕研究熔石英基板的浮法抛光工艺：将经过浮法抛光的基板，将粒径为1.5μm～10μm的抛光粉溶解于去离子水中，对基板进行抛光，得到人工划痕的宽度在2μm～15μm之间，亚表面损伤层的深度在2μm-20μm之间，并经过超声波清洗、镀制薄膜，进行损伤阈值测试，得到损伤阈值与人工划痕尺度的对应 关系，确定基板抛光的工艺参数；
2)含有人工划痕的熔石英基板的氢氟酸刻蚀：将氢氟酸与去离子水混合，对含有人工划痕的熔石英基板表面进行刻蚀，刻蚀深度在0.5μm-20μm之间，以低浓度氢氟酸首先完全去除再沉积层，刻蚀时间为20～60分钟，然后使用高浓度氢氟酸完全去除亚表面损伤层，刻蚀时间为40～90分钟；
3)涂有人工小球的熔石英基板的超声波清洗：将0.3μm-3μm人工小球旋涂在基板表面，进行超声波清洗，确定不同的超声频率、超声时间和小球去除效率的对应关系；
4)涂有人工小球的熔石英基板的真空离子束清洗：将0.3μm-3μm人工小球旋涂在基板上，并把基板装载进镀膜机的真空室，抽真空至1×10-3pa～5×10-3pa，使用不同参数真空离子束清洗工艺去除人工小球；
5)熔石英基板上薄膜制备：使用电子束蒸发方法在熔石英基板上制备HfO2／SiO2薄膜，在不同的膜层中引入纳米尺度人工缺陷，利用损伤阈值测试，给出损伤阈值和缺陷位置的定量化对应关系；
6)薄膜缺陷的激光预处理：用脉冲宽度为10ns，波长为1064nm的YAG激光对熔石英基板上的制备的HfO2／SiO2薄膜的定量化缺陷进行激光预处理。
本发明的关键在于以人工缺陷为核心的定量化研究方法。其理由是：激光薄膜的中不同尺度的缺陷可能导致不同的损伤阈值，人工缺陷损伤特性在较大程度上能够模拟真实缺陷损伤特性，因此我们对各个工艺步骤引入不同的人工缺陷进行研究，比如利用人工划痕研究基板抛光和氢氟酸刻蚀工艺，利用人工单分散小球研究基板的超声波清洗和离子束清洗工艺，利用吸收性缺陷研究薄膜的制备工艺，并分析预处理工艺参数与定量化缺陷的对应关系。因此本发明提出了一种通过基于人工缺陷的激光薄膜定量化研究方法，可以稳定地制备不同损伤阈值的激光薄膜。
本发明具有以下优点：
1、可以有效地控制缺陷尺度，定量化工艺可以稳定控制不同尺度缺陷的分布；
2、可以根据损伤阈值要求合理选择工艺参数，显著提升生产效率；
3、稳定提高了激光薄膜的良品率，相应地降低了生产成本；
4、适宜批量生产，能够满足激光技术迅猛发展的市场需求，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明优选实施例的1064纳米减反射膜中不同尺度划痕缺陷的损伤阈值测试结 果。
图2是本发明优选实施例的1064纳米高反射膜中缺陷的损伤阈值测试结果，不同尺度人工小球与镀膜后缺陷尺度及薄膜损伤阈值的对应关系。
图3是本发明优选实施例的1064纳米高反射膜损伤阈值的测试结果，A：采用全流程工艺控制时1064nm高反射膜的1-on-1损伤阈值测试结果；B：采用定量化工艺控制后1064nm高反射膜的1-on-1损伤阈值测试结果。可以看出采用定量化工艺控制使损伤阈值从64J／cm2(1064nm3ns)下降到35J／cm2(1064nm3ns)。
图3：A：全流程工艺的损伤阈值测试结果；B：采用定量化工艺的损伤阈值测试结果
具体实施方式
结合实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
在有人工划痕的熔石英基板上制备HfO2／SiO2减反射膜：取抛光再沉积层的厚度控制在100-200nm，亚表面损伤层的深度控制在1000-3000nm的熔石英基板，将粒径为1.5μm～30μm的SiO2抛光粉溶解于去离子水中，抛光粉的浓度为0.5％，抛光盘的转速10-30rpm，进行20秒短时抛光。得到不同粒径的抛光粉对应不同的人工划痕尺度，人工划痕的宽度在2μm～15μm之间，亚表面损伤层的深度在2μm-20μm之间。熔石英基板放入超声波清洗槽中，超声波的频率为500KHz，超声波功率为2Kw，碱性清洗溶液的配比为NH4OH：H2O2：H2O=1∶4∶10，清洗液的水温控制在20-25度之间，超声波时间为50分钟。超声波清洗后用去离子水冲洗2遍，然后用离心机甩干，甩干转速为2000转／分钟。然后将镕石英基板装入镀膜设备的工件架，设备为日本光驰OTFC-1300镀膜机。接下来用电子束蒸发方式制备HfO2／SiO2减反射膜，初始蒸发材料为Hf和8iO2，基板温度为150℃，镀HfO2膜时氧气的充气量为50sccm，镀SiO2膜时氧气的充气量为15sccm，HfO2和SiO2的蒸发速率均为1nm／s。
对含有不同尺度人工划痕的薄膜样品进行损伤阈值测试，发现随着人工划痕尺度的增大，相应地薄膜激光损伤阈值也从25J／cm2降低到7J／cm2，如图1所示。
实施例2
在有人工缺陷的熔石英基板上制备HfO2／SiO2高反射膜：将抛光再沉积层的厚度控制在100-200nm，亚表面损伤层的深度控制在1000-3000nm的熔石英基板放入超声波清洗槽中，超声波的频率为500KHz，超声波功率为2Kw，碱性清洗溶液的配比为NH4OH：H2O2：H2O=1∶4∶10，清洗液的水温控制在20-25度之间，超声波时间为50分钟。超声波清洗后用去离子水冲洗2遍，然后用离心机甩干，甩干转速为2000转／分钟。将尺度分别为0.3，0.5，0.9， 1.45，1.9，2.9微米的SiO2小球溶解在去离子水中，浓度为1％，旋涂到不同的基板上，控制缺陷密度约为5个／mm2。然后将镕石英基板装入镀膜设备的工件架，设备为日本光驰OTFC-1300镀膜机。接下来用电子束蒸发方式制备HfO2／SiO2高反射膜，初始蒸发材料为Hf和SiO2，基板温度为150℃，镀HfO2膜时氧气的充气量为50sccm，镀SiO2膜时氧气的充气量为15sccm，HfO2和SiO2的蒸发速率均为1nm／s。
将含有不同尺度人工小球的薄膜样品在显微镜下进行观察，不同的人工小球对应不同的缺陷尺寸，如图2所示，且同一样品中缺陷尺寸分布均匀；进行损伤阈值测试，发现随着小球尺度的增大，相应地薄膜激光损伤阈值也从170J／cm2降低到20J／cm2，如图2所示。
实施例3
熔石英基板上制备损伤阈值30J／cm2的HfO2／SiO2高反射膜：将熔石英材料进行初级研磨和次级研磨成型为50mm×10mm的基板，然后是用浮法抛光机进行抛光。使用的沥青抛光垫在18℃～24℃温度范围内的压缩率小于8％，SiO2抛光粉的平均粒径为3μm，抛光粉的浓度为1.5％，加工压力为20N／cm2，加工时间为2-3周。将抛光后的熔石英基板先放入装有1％氢氟酸的烧杯中，氢氟酸的温度均控制在20-25℃之间，浸泡30分钟，去除深度1μm，然后用去离子水冲洗两遍。再将刻蚀后的熔石英基板放入超声波清洗槽中，超声波的频率为440KHz，超声波功率为2Kw，碱性清洗溶液的配比为NH4OH：H2O2：H2O=1∶4∶10，清洗液的水温控制在20-25度之间，超声波时间为50分钟。超声波清洗后用去离子水冲洗2遍，然后用离心机甩干，甩干转速为2000转／分钟。将清洗后的熔石英基板装入镀膜设备的工件架，设备为日本光驰OTFC-1300镀膜机，配置离子源为17cm射频离子源，使用氙气和氧气混合等离子体对基板表面进行清洗，流量分别为6和12sccm，离子束清洗时间为6分钟，离子束电压为500v，离子束电流为100mA。接下来用电子束蒸发方式制备HfO2／SiO2高反射膜，初始蒸发材料为Hf和SiO2，基板温度为150℃，镀HfO2膜时氧气的充气量为50sccm，镀SiO2膜时氧气的充气量为15sccm，HfO2和SiO2的蒸发速率分别为1.5nm／s和1nm／s。使用YAG激光器(1064nm10ns)对5微米以上缺陷点依次进行预处理，处理能量为5J／cm2。
将全流程工艺控制制备的1064nm高反射膜和根据损伤阈值要求定量化工艺控制制备的高反射薄膜进行对比研究发现，缺陷点的密度从1.5个／mm2上升到10个／mm2，缺陷吸收的峰值也从10ppm左右升高至100ppm。相应地激光损伤阈值也从64J／cm2降低到35J／cm2，如图3所示。但样品达到了损伤阈值要求，基板加工周期减小1周，整个薄膜制备工艺的时间从24小时下降到16小时，有效提升了生产效率。
Claims (9)
1.一种激光薄膜的研究方法，其特征在于包括以下步骤：
1)利用不同尺度抛光粉制作人工划痕研究熔石英基板的浮法抛光工艺：将经过浮法抛光的基板，利用不同尺度抛光粉，对基板进行短时抛光，得到不同尺度的人工划痕，并经过超声波清洗、镀制薄膜，进行损伤阈值测试，得到损伤阈值与人工划痕尺度的对应关系，确定基板抛光的工艺参数。
2)含有人工划痕的熔石英基板的氢氟酸刻蚀：将氢氟酸与去离子水混合，对不同尺度抛光粉得到的人工划痕表面进行刻蚀，以低浓度氢氟酸首先去除再沉积层，然后使用高浓度氢氟酸完全去除亚表面损伤层；根据去除深度不同进行损伤阈值测试，确定石英基板的氢氟酸刻蚀工艺参数和损伤阈值的对应关系。
3)涂有人工小球的熔石英基板的超声波清洗：在熔石英基板表面旋涂不同尺度的人工小球，得到超声波清洗参数和人工小球去除效率的对应关系。
4)涂有人工小球的熔石英基板的真空离子束清洗：熔石英基板经过超声波清洗后，在表面旋涂不同尺度的人工小球，放入镀膜机中，在真空环境下进行离子束清洗，得到真空离子束清洗参数和人工小球去除效率的对应关系。
5)熔石英基板上薄膜制备：使用电子束蒸发方法在熔石英基板上制备HfO2／SiO2薄膜；在不同的膜层中引入纳米尺度人工缺陷，形成吸收性薄膜缺陷，利用损伤阈值测试，给出损伤阈值和缺陷位置的定量化对应关系；
6)薄膜缺陷的激光预处理：用脉冲宽度为10ns，波长为1064nm的YAG激光对熔石英基板上的制备的HfO2／SiO2薄膜的缺陷进行激光预处理，研究激光预处理参数和缺陷尺度的定量化对应关系。
2.根据权利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于：所述步骤1)中的沥青抛光垫在18℃～24℃温度范围内的压缩率小于8％，SiO2抛光粉的粒径为1.5μm～30μm，抛光粉的浓度小于0.5％，抛光盘的转速10-30rpm，抛光时间～20秒。
3.根据权利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于：所述步骤1)中熔石英基板抛光后，人工划痕宽度在2μm～15μm之间，亚表面损伤层的深度在2μm-20μm之间，每个熔石英基板上人工划痕尺度分布均匀。
4.根据权利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于：所述步骤2)中低浓度氢氟酸的浓度为1～2％，刻蚀时间为20～60分钟，高浓度氢氟酸的浓度为4～5％，刻蚀时间为40～90分钟，刻蚀深度在0.5μm-20μm之间。
5.根据权利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于：所述步骤3)中人工小球的 尺度为0.3μm-3μm，超声波的频率为100千赫兹～1兆赫兹，使用碱性清洗溶液，配比为NH4OH：H2O2：h2O=1∶4∶10，超声时间60-120分钟，超声波功率为2-3Kw，超声波清洗后用去离子水冲洗1-2遍，然后用离心机甩干，甩干转速为2000-3000转／分钟。
6.根据权利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于：所述步骤4)中人工小球的尺度为0.3μm-3μm，使用氙气和氧气混合等离子体对基板表面进行清洗，氙气和氧气的纯度优于99.999％，流量比为1∶2，离子束清洗时间为5-30分钟，离子束电压为400～600v，离子束电流为100-300mA。
7.根据权利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于：所述步骤5)中使用电子束蒸发技术，镀HfO2膜时氧气的充气量为40-80sccm，镀的SiO2膜时氧气的充气量为15sccm，基板温度为100-150℃，HfO2的蒸发速率均为0.5～2nm／s，SiO2的蒸发速率为1nm／s。
8.根据权利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于：所述步骤6)中对缺陷进行预处理的步骤分1～5步，初始能量为5J／cm2，然后以2J／cm2为梯度增加。
9.根据权利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于本方法不但适用于熔石英基板，也适用于K9玻璃基板。
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