CN110441845A - 渐变界面纳米薄层提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射膜激光损伤阈值的方法 - Google Patents

渐变界面纳米薄层提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射膜激光损伤阈值的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于渐变界面纳米薄层技术提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射膜激光损伤阈值的方法，利用电子束蒸发技术交替沉积纳米厚度Al2O3和HfO2薄层作为高折射率膜层，取代常规多层膜中的纯HfO2或Al2O3膜层。本发明综合利用HfO2材料折射率高和Al2O3材料本征紫外激光损伤阈值高的优势，通过纳米薄层技术，不但增加了高折射率材料层等效折射率的调控能力，而且降低了膜层中的电场强度，在不影响薄膜反射率的前提下，提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射薄膜的激光损伤阈值。

Description

渐变界面纳米薄层提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射膜激光损伤 阈值的方法
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，特别涉及一种渐变界面纳米薄层提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射膜激光损伤阈值的方法。
背景技术
紫外激光技术的发展对高损伤阈值紫外反射薄膜元件提出了迫切的需求。然而，紫外薄膜激光损伤阈值不能满足装置的使用要求，是美国Omega装置和我国神光II等大型激光装置均曾面临的问题，激光技术研究人员并不得不采取其它的应对方案。与近红外激光相比，紫外激光诱导薄膜损伤的原因更加复杂，这使得紫外薄膜激光损伤阈值的提升一直面临许多挑战。一方面，随着激光波长的减小，缺陷的敏感尺度也越来越小。一些在近红外激光作用下无影响或者影响非常小的小尺寸缺陷，在紫外激光作用下也将成为引起损伤的主要因素。另一方面，光子能量在紫外波段(355nm)逐渐接近HfO2等近红外激光薄膜最常用高折射率镀膜材料的带隙，紫外激光辐照较近红外激光辐照更容易诱导薄膜发生损伤，使得紫外波段可选的镀膜材料受限。SiO2材料一直是紫外波段最常用的氧化物低折射率材料，HfO2和Al2O3是紫外波段常用的氧化物高折射率镀膜材料。HfO2材料具有较高的折射率，能够获得较高的反射率和较大的高反射率带宽，但由于带隙较小，其本征损伤阈值较低，难以获得高的紫外激光损伤阈值。Al2O3材料具有较大的带隙，其本征激光损伤阈值较高，然而，由于Al2O3材料折射率较低，需要很多的膜层数才能获得高的反射率，但即使增加膜层厚度也较难获得大的高反射率带宽，并且膜层数的增加会引起节瘤缺陷密度和缺陷尺寸的增加，进而影响膜层激光损伤阈值。为了在不影响反射率等光谱性能的前提下提升紫外反射薄膜的激光损伤阈值，研究人员提出了组合膜系设计方法：在基底上先沉积数个周期的HfO2/SiO2膜堆，再沉积数个周期的Al2O3/SiO2膜堆，这种设计方法在一定程度上提升了紫外反射薄膜的激光损伤阈值。然而，这种组合膜系设计方法增加了氧化铝膜层中的电场强度，降低了组合膜系反射薄膜的本征激光损伤阈值。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于渐变界面纳米薄层技术提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射薄膜激光损伤阈值的方法。本发明综合利用HfO2材料折射率高和Al2O3材料本征紫外激光损伤阈值高的优势，通过纳米薄层技术，不但增加了高折射率材料层等效折射率的调控能力，而且降低了膜层中的电场强度。在不影响薄膜反射率的前提下，提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射薄膜的激光损伤阈值。
本发明的技术解决方案
一种基于渐变界面纳米薄层技术提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射薄膜激光损伤阈值的方法，利用电子束蒸发技术交替沉积纳米厚度Al2O3和HfO2薄层作为高折射率膜层，取代常规多层膜中的纯HfO2或Al2O3膜层。具体包括以下步骤：
1)膜系设计：
根据所需的光谱性能要求设计膜系：S|(cM dH cM dH L)a M bL|A。其中，S表示基底，M表示光学厚度为λ/4(λ指膜系的设计波长)的Al2O3层，c表示M层的光学厚度系数，H表示光学厚度为λ/4的HfO2层，d表示M层的光学厚度系数，L表示光学厚度为λ/4的SiO2层，e表示L层的光学厚度系数，且e＝1，a表示括号中膜堆的周期数目，b表示最外层L层的光学厚度系数(对于反射薄膜，b＝2，4，6，8…)，A表示空气。cM dH cM dH四层膜的总光学厚度为λ/4，c和d的值分别根据公式①至公式③计算而得。
其中，n表示cM dH cM dH纳米薄层组合的等效折射率，nM表示Al2O3单层膜的折射率，nH表示HfO2单层膜的折射率。
2)基底清洗：对基底进行清洗并晾干；
3)薄膜制备：
(1)根据所设计的膜系，采用电子束蒸发技术沉积多层反射薄膜：将基底加热至120℃～250℃，抽取真空至真空度优于9.0×10-4Pa；
(2)打开电子枪高压和束流，按照膜系设计的膜层沉积顺序依次沉积第1层至第5a+1层：当每层膜的厚度比设计厚度少2～10纳米时，逐渐减少当前膜层材料的电子枪束流C1直至该膜层沉积速率降为0；在开始减少C1的同时，逐渐增加下一层膜层材料的电子枪束流C2直至该膜层沉积速率升高到所需的沉积速率，形成厚度为2～10纳米的共蒸膜层；
(3)镀制第5a+2层，即最后一层，当膜层厚度达到设计厚度时，关闭电子枪束流和高压。
(4)镀膜结束。
本发明的技术效果：
1、利用电子束蒸发技术交替沉积纳米厚度Al2O3和HfO2薄层作为高折射率膜层，取代常规多层膜中的纯HfO2或Al2O3膜层。
2、利用HfO2折射率高和Al2O3紫外激光损伤阈值高的优势，通过纳米薄层技术，不但增加了高折射率材料层等效折射率的调控能力，而且降低膜层中的电场强度。在不降低反射率的前提下，提升了HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射薄膜的激光损伤阈值。
3、本发明简单易行，具有针对性强和效率高的特点。适合制备高激光损伤阈值要求的紫外反射薄膜元件。
附图说明
图1是采用常规组合膜系方法和本发明方法设计的紫外反射薄膜的电场分布曲线
图2是采用常规组合膜系方法和本发明方法制备的紫外反射薄膜的反射率光谱曲线
图3是采用常规组合膜系方法和本发明方法制备的紫外反射薄膜的激光损伤几率曲线，激光波长为355nm
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
以45度角入射，s偏振分量，355nm处反射率＞99.5％的紫外反射薄膜为例，说明本发明基于渐变界面纳米薄层技术提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射薄膜激光损伤阈值的方法，该方法包括下列步骤:
1)膜系设计：根据所需的光学性能要求设计膜系：S|(0.375M 0.125H 0.375M0.125H L)20M 8L|A。其中，S表示基底，M表示光学厚度为λ/4(λ指膜系的设计波长，为401nm)的Al2O3层，0.375为M层的光学厚度系数，H表示光学厚度为λ/4的HfO2层，0.125为M层的光学厚度系数，L表示光学厚度为λ/4的SiO2层，L前没有系数表示光学厚度系数为1，20表示括号中膜堆的周期数目，8表示最外层SiO2层的光学厚度系数，A表示空气。0.375M 0.125H0.375M 0.125H四层膜的总光学厚度为λ/4，M层光学厚度系数c和H层光学厚度系数d分别根据公式①至公式③计算而得。
其中，n表示MHMH纳米薄层组合的等效折射率，值为1.6475；nM表示Al2O3单层膜的折射率，值为1.55；nH表示HfO2单层膜的折射率，值为1.94。
根据公式①至公式③，x＝3，c＝0.375，d＝0.125。
2)电场计算：利用Essential Macleod软件计算常规组合膜系方法和本发明方法设计的紫外反射薄膜电场分布。为了便于对比分析，常规组合膜系方法和本发明方法设计的膜系中Al2O3、HfO2和SiO2材料的总厚度相等。常规组合膜系方法设计的膜系为S|(H L)5(ML)15M 8L|A。图1所示为采用常规组合膜系方法和本发明方法设计的紫外反射薄膜的电场分布曲线，本发明方法设计的薄膜电场强度小于常规组合膜系的薄膜。
3)基底清洗：对基底进行清洗并晾干；
4)薄膜制备：
(1)根据所设计的膜系，采用电子束蒸发技术沉积多层反射薄膜：将基底加热至200℃，抽取真空至真空度优于9.0×10-4Pa；
(2)打开电子枪高压和蒸发束流，采用电子束蒸发技术，依照膜系设计的膜层沉积顺序依此沉积第1层至第101层：当每层膜的厚度比设计厚度少4纳米时，逐渐减少当前膜层材料的电子枪蒸发束流C1直至该材料沉积速率降为0；在开始减少C1的同时，逐渐增加下一层膜层材料的电子枪蒸发束流C2直至该材料沉积速率升高到所需的沉积速率，形成厚度为4纳米的共蒸膜层；
(3)镀制第102层，即最后一层，当膜层厚度达到设计厚度时，关闭电子枪蒸发束流和高压。
(4)镀膜结束。
5)光谱性能测量：
测试仪器：Lambda 1050分光光度计，入射角度：45°，偏振态：S分量，测量波长：300nm～500nm，测试量：透射率值，用100％-透射率值得到反射率值。图2是采用常规组合膜系方法和本发明方法制备的紫外反射薄膜的反射率光谱曲线，本发明方法制备的薄膜在355nm处满足要求，没有降低薄膜的光学性能。
6)紫外激光损伤阈值测量：
测试标准：ISO21254，脉冲宽度：7.6ns，入射角度：45°，光斑面积：0.18mm2，偏振态：S分量。图3是采用常规组合膜系方法和本发明方法制备的紫外反射薄膜的激光损伤几率曲线，激光波长为355nm，本发明方法制备的薄膜损伤阈值高于常规组合膜系方法制备的薄膜。
多次实验表明：本发明综合HfO2材料折射率高和Al2O3材料本征紫外激光损伤阈值高的优势，利用电子束蒸发技术交替沉积纳米厚度的Al2O3和HfO2薄层作为高折射率膜层，取代常规多层膜中的纯HfO2或Al2O3膜层。通过纳米薄层技术，不但增加了高折射率材料层等效折射率的调控能力，而且降低了膜层中的电场强度。在不影响薄膜反射率的前提下，提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射薄膜的激光损伤阈值。

Claims (1)

1.一种渐变界面纳米薄层提升HfO2/Al2O3/SiO2紫外反射膜激光损伤阈值的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)膜系设计：
根据所需的光谱性能要求设计膜系：S|(cM dH cM dH eL)aM bL|A，其中，S表示基底，M表示光学厚度为λ/4的Al2O3层，λ指膜系的设计波长，c表示M层的光学厚度系数，H表示光学厚度为λ/4的HfO2层，d表示M层的光学厚度系数，L表示光学厚度为λ/4的SiO2层，e表示L层的光学厚度系数，且e＝1，a表示括号中膜堆的周期数目，b表示最外层L层的光学厚度系数，且b＝2，4，6，8…，A表示空气，cM、dH、cM和dH四层膜的总光学厚度为λ/4，且c和d的值满足如下公式：
其中，n表示cM、dH、cM和dH四层膜组合的等效折射率，nM表示M层膜的折射率，nH表示H层膜的折射率；
2)基底清洗：对基底进行清洗并晾干；
3)薄膜制备：
(1)根据所设计的膜系，采用电子束蒸发技术沉积多层反射薄膜：将基底加热至120℃～250℃，抽取真空至真空度优于9.0×10-4Pa；
(2)打开电子枪高压和束流，按照膜系设计的膜层沉积顺序依次沉积第1层至第5a+1层：当每层膜的厚度比设计厚度少2～10纳米时，逐渐减少当前膜层材料的电子枪束流C1直至该膜层沉积速率降为0；在开始减少C1的同时，逐渐增加下一层膜层材料的电子枪束流C2直至该膜层沉积速率升高到所需的沉积速率，形成厚度为2～10纳米的共蒸膜层；
(3)镀制第5a+2层，即最后一层，当膜层厚度达到设计厚度时，关闭电子枪束流和高压；
(4)镀膜结束。
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