氧化钽薄膜激光损伤的温度效应及机理研究

该项目旨在制备高阈值Ta2O5薄膜，并研究其激光损伤的温度效应和揭示损伤机理。采用双离子束溅射法，优化工艺沉积低缺陷本征态Ta2O5薄膜，通过不同气氛和温度的二步法退火处理，并辅以激光预处理提高损伤阈值。开展激光损伤的温度效应研究，设计和搭建高温激光损伤阈值测试平台，研究Ta2O5薄膜在323-623 K温度区间内的损伤阈值，以及温度变化对激光损伤特性的影响，并探索高温下材料与激光耦合的新效应。采用实验手段对Ta2O5薄膜内部的缺陷进行表征，以此为依据用第一性原理对不同特性的缺陷作统一性描述，进行缺陷的建模和性质计算，尝试实验与理论相结合的全新方法揭示Ta2O5薄膜在不同温度下的损伤机理。项目中研究的高阈值Ta2O5薄膜可用于现有高功率激光系统中，在高温环境、太空领域和下一代光刻技术中亦具有良好的应用前景。

该项目研制了具有高激光损伤阈值的氧化钽薄膜，对其内部不同类型的缺陷进行了建模，并搭建高温激光损伤阈值测试平台研究了不同温度下薄膜的损伤特性。采用双离子束溅射法沉积薄膜，分别用氧气中退火、激光预处理和氧气中退火与激光预处理相结合的方法对薄膜进行后处理，制备的高损伤阈值薄膜达到了预期目标。利用基于量子力学的第一性原理，计算了晶态氧化钽、空位缺陷、Fe间隙掺杂缺陷、Fe替位掺杂缺陷及晶界缺陷的电子结构，分析了能带结构、轨道电荷占据数和差分电子密度，并尝试理论模拟与实验表征的初步结合。设计并搭建了高温激光损伤阈值测试平台，研究了氧化钽薄膜在不同温度下的激光损伤阈值和损伤形貌。当温度从室温仅仅增加至383 K，薄膜阈值大幅降低14%，而随着温度继续升高阈值降幅变缓。此外，不同温度下薄膜的损伤形貌也存在较大的差异性。理论计算表明，剧烈增加的缺陷最高温度和高温持续时间的延长是导致该差异的主要原因。研究同时揭示，随温度升高热应力损伤机理逐渐向热主导损伤机理转变。