三倍频强激光薄膜元件的离子后处理机理研究

薄膜的激光损伤问题是严重影响激光系统稳定性和限制激光技术向高能量方向发展的瓶颈之一，特别对三倍频薄膜而言，其激光损伤问题尤其突出，现已成为国际上强激光领域研究的热点之一。提高薄膜激光损伤阈值除了探索新的沉积方法和沉积工艺外，采用后处理技术也是提高薄膜抗激光损伤能力的重要途径之一。本项目将探索采用一种新的提高薄膜激光损伤阈值的后处理技术- - 离子后处理。在对基频和倍频薄膜离子后处理研究的基础上，通过薄膜对不同波长离子后处理后激光损伤特性的比较分析，以及离子后处理后三倍频薄膜激光损伤阈值和薄膜类型的相关性分析，得出三倍频强激光薄膜元件的离子后处理机理，并以此为基础，建立离子后处理参量与薄膜激光损伤相关性物理模型。

薄膜的激光损伤问题是严重影响激光系统稳定性和限制激光技术向大功率高能量方向发展的瓶颈之一，特别对三倍频薄膜而言，其激光损伤问题尤其突出，是当今国际上强激光领域研究的热点和难点之一。针对三倍频薄膜及元件的激光损伤问题，本项目首先在对HfO2，Al2O3，MgF2，AlF3等常见三倍频薄膜材料的来源和沉积工艺对三倍频激光损伤特性影响的基础上，分别采用氧等离子体及氩氧混合等离子体对Al2O3薄膜、Al2O3/SiO2高反射膜等相关薄膜元件进行后处理，分析了处理前后薄膜的三倍频激光损伤特性及损伤机理。研究发现，不同于微米级缺陷是基频薄膜激光损伤的主要源头，三倍频薄膜的激光损伤源头则为高密度的纳米级缺陷。采用等离子体辐照处理，对于纳米级缺陷密度的降低能力非常有限，所以提高三倍频薄膜的激光损伤阈值也非常有限。为了提高三倍频薄膜的激光损伤阈值，项目进一步从衬底处理工艺、驻波电场优化设计、应力匹配设计等几方面研究三倍频薄膜激光损伤阈值提高的可能途径。研究表明，单层膜受限于基底的影响，其损伤阈值表现的是薄膜与基底的耦合结果，而不是单纯的薄膜的结果，47%的HF溶液对熔石英衬底进行10min的刻蚀可以明显提高其激光损伤阈值，其上Al2O3薄膜的三倍频激光损伤阈值达到9J/cm2，而MgF2薄膜的三倍频激光损伤阈值从3-4 J/cm2提高到5-7J/cm2，效果明显；在驻波电场优化设计方面，HfO2/SiO2/LaF3/AlF3组合355nm高反膜而言，SiO2中间层的引入降低了界面处的电场强度，提高了其激光损伤阈值；在应力匹配设计方面，在氟化物底层引入SiO2内保护层，可以明显降低氟化物薄膜的残余应力，消除基底亚表面缺陷对薄膜的影响，并降低薄膜表面缺陷密度，进而提高氟化物薄膜的抗激光损伤性能。其中膜系结构为6SH(LH)^10的样品获得了高达20J/cm2的激光损伤阈值（355 nm，8ns）。纯氟化物膜系残余应力较大，且高低折射率材料折射率差别较小，很难制备出反射率满足要求的薄膜，考虑Al2O3/SiO2高反膜具有较高的激光损伤阈值，且不存在应力开裂的问题，因此可以作为组合高反膜的氧化物基体，以在降低残余应力的同时提供足够的反射率。本项目研究结果对高激光损伤阈值三倍频薄膜的制备具有重要参考价值。