CN116855913A - 一种去除光学薄膜节瘤缺陷表面球冠状凸起的抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学薄膜领域，主要针对降低光学薄膜损伤阈值的节瘤缺陷，具体涉及一种基于去除节瘤缺陷表面球冠状凸起提高薄膜激光损伤阈值的方法。本发明提供的方法包括：使用粗糙度小于薄膜元件的光滑表面作为抛光面；利用润湿性良好的液体在抛光面和薄膜表面间形成液膜，液膜产生的毛细力作为作用在薄膜表面的正压力；膜面的节瘤凸起在抛光面和膜面的相对滑动过程中由摩擦力去除。本发明利用光滑表面和润湿性良好的液体去除薄膜表面的节瘤凸起，降低了节瘤缺陷引起的电场增强，在不影响薄膜光谱性能的前提下提升了薄膜元件的激光损伤阈值。与现有的提高光学薄膜激光损伤阈值的方法相比，本发明具有操作简单、成本低和适用范围广等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜，尤其是一种去除光学薄膜节瘤缺陷表面球冠状凸起的抛光方法。
背景技术
随着激光技术的不断发展，光学薄膜在激光系统中有着越来越广泛和重要的应用。然而，光学薄膜是激光系统中最容易损伤的薄弱环节，是限制激光系统功率提高的关键因素。国内神光系列激光装置及美国国家点火装置(NIF)等高功率激光系统不断对光学薄膜的抗激光损伤性能提出更高要求。国内外研究人员开展的大量理论和实验研究表明，节瘤缺陷是降低纳秒激光系统高反射薄膜等薄膜元件激光损伤阈值的主要因素之一(LightSci.Appl.2013，2，e80)。节瘤缺陷是由颗粒生长而成的具有球冠状凸起的倒置锥形缺陷，凸出于薄膜表面的球冠会改变局部入射光的入射角从而引起透射率的变化，进而引起节瘤缺陷及其附近膜层的电场分布发生变化，导致局部电场强度增强。激光辐照区域局部位置出现更高的电场强度会更易诱发薄膜损伤，从而降低薄膜元件的激光损伤阈值。目前，针对节瘤缺陷对薄膜抗损伤性能的降低，主要采用以下两类方法来提升薄膜的激光损伤阈值：
一是通过优化镀膜工艺减少节瘤缺陷的生成或抑制节瘤缺陷的喷发。例如，以金属铪代替氧化铪作为初始镀膜材料可以降低膜层内节瘤缺陷的密度，但该方法只能在一定程度上减少缺陷的种子源，节瘤缺陷对薄膜阈值的限制仍存在。采用离子束薄膜平滑技术，通过沉积-刻蚀多次循环的方法可以有效平滑基底的凸缺陷实现抑制节瘤缺陷的生成，但该方法工艺复杂、耗时较长且大口径元件不易实现均匀刻蚀。此外，通过膜系设计优化节瘤缺陷处的电场分布和通过离子束辅助沉积改善节瘤缺陷边界连续性等工艺也可以抑制节瘤缺陷的喷发，但节瘤缺陷仍是限制薄膜元件损伤阈值进一步提升的关键。
二是采用纳秒激光预处理技术可以降低节瘤缺陷诱发薄膜损伤的几率。一方面，边界结合力较差的节瘤缺陷会在激光预处理过程中自发喷发，留下较稳定的节瘤坑，降低了使用过程中节瘤缺陷诱发薄膜严重损伤的可能；另一方面，纳秒激光辐照的热效应可能在一定程度上改善节瘤缺陷连续性较差的边界状况，节瘤缺陷被热加固，因而其喷发受到抑制。但是，激光预处理存在着低阈值缺陷去除不完全、不同薄膜预处理工艺不同、预处理效果差异较大且预处理过程耗时较长等问题。
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，提供一种基于去除节瘤缺陷表面球冠状凸起提高光学薄膜损伤阈值的方法。本发明提供的方法包括：使用粗糙度小于薄膜元件的光滑表面作为抛光面；利用润湿性良好的液体在抛光面和薄膜表面间形成液膜，液膜产生的毛细力作为作用在薄膜表面的正压力；膜面的节瘤凸起在抛光面和膜面的相对滑动过程中由摩擦力去除。本发明利用光滑表面和润湿性良好的液体去除薄膜表面的节瘤凸起，降低了节瘤缺陷引起的电场增强，在不影响薄膜光谱性能的前提下提升了薄膜元件的激光损伤阈值。与现有的提高光学薄膜激光损伤阈值的方法相比，本发明具有操作简单、成本低和适用范围广等特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种去除光学薄膜节瘤缺陷表面球冠状凸起的抛光方法，其特点在于：使用粗糙度小于薄膜元件的光滑表面作为抛光面；利用润湿性良好的液体在抛光面和薄膜表面间形成液膜，液膜产生的毛细力作为作用在薄膜表面的正压力；膜面的节瘤凸起在抛光面和膜面的相对滑动过程中由摩擦力去除。
根据上述去除节瘤缺陷表面球冠状凸起的方法，所述光滑表面是晶体或玻璃的光滑表面。
根据上述去除节瘤缺陷表面球冠状凸起的方法，所述润湿性良好的液体与薄膜表面及抛光面间的接触角都小于90°，且不与薄膜表面和抛光面发生化学反应。
根据上述去除节瘤缺陷表面球冠状凸起的方法，所述毛细力来源于液膜内外的压强差(附加压强)，且随液膜厚度变薄而增大。
根据上述去除节瘤缺陷表面球冠状凸起的方法，该制备方法包括以下步骤：
①清洗：在去离子水中超声清洗抛光面，去除抛光面上吸附的杂质颗粒；
②润湿：向抛光面滴加润湿性良好的液体，液体在抛光面上迅速扩散；
③主抛光：将薄膜表面置于抛光面上，薄膜表面和抛光面间形成均匀的液膜，推动薄膜元件在抛光面上匀速转动，转动过程中液膜逐渐变薄，薄膜表面和抛光面间的毛细力逐渐增大，薄膜表面的节瘤凸起在转动过程中逐渐由摩擦力去除；
④清洗：在去离子水中超声清洗抛光面，用去离子水冲洗薄膜表面，去除主抛光过程中产生的大部分磨屑颗粒；
⑤精抛光：在水流下将薄膜表面置于抛光面上，推动薄膜元件在抛光面上匀速转动，主抛光过程中吸附在薄膜表面的磨屑颗粒在转动过程中被逐渐去除；
⑥干燥：将薄膜元件置于高温烘烤灯下烤干。
本发明的技术效果：
1.本发明利用光滑表面和润湿性良好的液体去除薄膜表面的节瘤凸起，降低了节瘤缺陷引起的电场增强，显著提升了薄膜元件的激光损伤阈值。
2.本发明在去除节瘤凸起的过程中未引入磨料颗粒且无化学反应发生，仅节瘤凸起被有效去除，不会对薄膜元件的光谱性能等造成影响。
3.本发明方法经济易行，操作简单，适用于不同尺寸、不同沉积工艺制备的光学薄膜元件。
4.本发明适用范围广，不仅适用于阈值受节瘤缺陷影响较大的高反射薄膜，还适用于损伤阈值受节瘤缺陷影响的其它光学薄膜元件。
附图说明
图1是节瘤缺陷和去除球冠状凸起的节瘤缺陷的电子显微形貌图。图1(a)是节瘤缺陷的电子显微形貌图；图1(b)是去除球冠状凸起的节瘤缺陷电子显微形貌图。
图2是采用本发明方法去除节瘤缺陷球冠状凸起的薄膜样品和未处理样品的激光损伤几率曲线，激光波长为355nm。
图3是节瘤缺陷剖面图和去除球冠状凸起的节瘤缺陷剖面图。
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。
实施例
以45度角入射，355nm处s偏振分量反射率＞99.5％，预植节瘤缺陷种子源为粒径550nm二氧化硅微球的紫外反射薄膜(粗糙度约2nm)为例，说明本发明基于去除节瘤缺陷表面球冠状凸起提高薄膜激光损伤阈值的方法。光滑表面选用直径为8英寸的硅片抛光面(粗糙度小于0.5nm)，润湿性良好的液体选用无水乙醇。图1是节瘤缺陷和去除球冠状凸起的节瘤缺陷的电子显微形貌图。该方法包括下列步骤：
①清洗：在去离子水中超声清洗硅片5min，去除硅片上吸附的杂质颗粒；
②润湿：向硅片抛光面滴加无水乙醇，乙醇在抛光面上迅速扩散；
③主抛光：将薄膜表面置于硅片抛光面上，薄膜表面和硅片抛光面间形成均匀的乙醇液膜，推动薄膜元件在硅片抛光面上匀速转动，转动过程中乙醇液膜逐渐变薄，薄膜表面和硅片抛光面间的毛细力逐渐增大，薄膜表面的节瘤凸起在转动过程中逐渐由摩擦力去除；
④清洗：在去离子水中超声清洗硅片5min，用去离子水冲洗薄膜表面5min，去除主抛光过程中产生的大部分磨屑颗粒；
⑤精抛光：在水流下将薄膜表面置于硅片抛光面上，推动薄膜元件在硅片抛光面上匀速转动，主抛光过程中吸附在薄膜表面的磨屑颗粒在转动过程中被逐渐去除；
⑥干燥：将薄膜元件置于高温烘烤灯下烘烤约5min。
⑦光谱性能测量：
采用Lambda 1050分光光度计分别对经过本发明方法处理和未处理的光学薄膜进行光谱测量。入射角度为45°，s偏振分量，测量波长：300nm～1200nm，测试量：透射率值。反射率值由100％减去透射率值而得。
测试结果表明，薄膜元件经本发明方法处理后光谱性能不变。
⑧激光损伤阈值测量：
根据ISO21254测试标准，采用1-on-1的测试方法分别对经过本发明方法处理和未处理的光学薄膜进行测试。脉冲宽度：8ns，入射角度：45°，光斑面积：0.30mm2，偏振态：s分量。
测试结果表明：本发明方法处理后的光学薄膜损伤阈值显著提升。图2是采用本发明方法去除节瘤缺陷球冠状凸起的薄膜样品和未处理样品的激光损伤几率曲线，激光波长为355nm。
Claims (5)
1.一种去除光学薄膜节瘤缺陷表面球冠状凸起的抛光方法，其特征在于：使用粗糙度小于薄膜元件的光滑表面作为抛光面；利用润湿性良好的液体在抛光面和薄膜表面间形成液膜，液膜产生的毛细力作为作用在薄膜表面的正压力；膜面的节瘤凸起在抛光面和膜面的相对滑动过程中由摩擦力去除。
2.根据权利要求1所述的去除光学薄膜节瘤缺陷表面球冠状凸起的抛光方法，其特征在于，所述抛光面是晶体或玻璃的光滑表面。
3.根据权利要求1所述的去除光学薄膜节瘤缺陷表面球冠状凸起的抛光方法，其特征在于，所述润湿性良好的液体与薄膜表面及抛光面间的接触角都小于90°，且不与薄膜表面和抛光面发生化学反应。
4.根据权利要求3所述的去除光学薄膜节瘤缺陷表面球冠状凸起的抛光方法，其特征在于，所述毛细力来源于液膜内外的压强差(附加压强)，且随液膜厚度变薄而增大。
5.根据权利要求1-4任一所述的去除光学薄膜节瘤缺陷表面球冠状凸起的抛光方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
①清洗：在去离子水中超声清洗抛光面，去除抛光面上吸附的杂质颗粒；
②润湿：向抛光面滴加润湿性良好的液体，液体在抛光面上迅速扩散；
③主抛光：将薄膜表面置于抛光面上，薄膜表面和抛光面间形成均匀的液膜，推动薄膜元件在抛光面上匀速转动，转动过程中液膜逐渐变薄，薄膜表面和抛光面间的毛细力逐渐增大，薄膜表面的节瘤凸起在转动过程中逐渐由摩擦力去除；
④清洗：在去离子水中超声清洗抛光面，用去离子水冲洗薄膜表面，去除主抛光过程中产生的大部分磨屑颗粒；
⑤精抛光：在水流下将薄膜表面置于抛光面上，推动薄膜元件在抛光面上匀速转动，主抛光过程中吸附在薄膜表面的磨屑颗粒在转动过程中被逐渐去除；
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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