激光二极管泵浦固体激光器用双色、抗水、高损伤阈值多功能薄膜研究

在激光二极管泵浦固体激光器（DPSSL）中，增益介质的热效应直接影响激光输出质量，是限制其向高平均功率和高光束质量发展的关键因素之一。主动的热管理方式，如水冷可以有效减少增益介质的热量累积，特别适合解决高平均功率DPSSL的增益介质散热问题。实际当中，冷却水通过增益介质上的双色膜带走晶体内的废热，这对双色膜提出了新的抗水性要求。到目前为止，国内外在这方面涉猎很少，为高平均功率DPSSL的发展带来了障碍。因此研究双色、抗水、高损伤阈值多功能薄膜具有重要科学意义和应用价值。本项目提出了在HfO2/SiO2双色膜上镀制SiO2防水膜实现多功能性的新方案，研究HfO2/SiO2双色膜的电子束蒸发制备工艺，发展SiO2防水膜的光化学制备技术，探索双色膜和防水膜之间的界面损伤控制方法，建立水环境下的损伤阈值测试标准，实现多功能薄膜的研制，为我国高平均功率DPSSL的发展提供坚实的关键基础技术支撑。

针对大型激光二极管泵浦固体激光器主动水冷技术对薄膜提出的双色、抗水和高损伤阈值的多功能要求，系统研究了该多功能薄膜的设计方法、制备技术和检测手段。研究工作的开展基本上按照项目的研究计划和实施方案进行，完成了项目的研究内容和研究目标。主要取得了五方面的研究成果：①在损伤阈值研究方面：降低了薄膜的吸收，控制了薄膜的缺陷，阐明了“节瘤”缺陷的损伤机理，提出了控制“节瘤”缺陷的方法，提高了薄膜的损伤阈值；②在激光晶体上双色膜的背入射损伤研究方面：分离了薄膜和基板亚表面对背入射损伤的贡献，获得了敏感缺陷在基板亚表面深度方向的分布信息，提出了新的薄膜设计方法，降低了敏感缺陷处的驻波场强度，有效地提高了这一特定应用下的损伤性能；③在光化学防水膜的研究方面：搭建了光化学反应装置将，优化了硅油粘度、旋涂速度、辐照时间、辐照距离、辐照强度等工艺参数，获得了低吸收、高致密度的高损伤阈值SiO2防水膜；④在物理气相沉积防水膜的研究方面：发现薄膜中孔洞的大小，密度和开放性都对吸水性和防水性有影响，薄膜材料的结晶性质又会对孔洞的上述特性产生极大的影响。由此提出了用SiO2、HfO2和Ta2O5的复合膜系，解决防水性和损伤阈值之间的矛盾。⑤改建了损伤阈值测试平台，实现了水环境下薄膜损伤阈值的测试和损伤性能的评价，为制备工艺的优化研究提供了依据，为评价防水膜的实际性能和使用寿命奠定了基础。依据上述研究成果制备的双色、抗水、高损伤阈值薄膜器件成功用于中国工程物理研究院激光聚变研究中心的激光装置上。. 相关研究工作发表Nature子刊Light: Science&Application（1篇）、Optics Express （3篇）、Applied Optics（2篇）等SCI和EI检索文章13篇，2013年受邀在国际期刊Advanced Optical Technologies发表“Defect-related properties in optical coatings”的综述文章。相关工艺研究申请发明专利3项。近4年来5次在光学干涉薄膜、光学加工、激光损伤和激光技术等方面的国际系列会议上做邀请报告。2011年成为美国光学学会Applied Optics期刊的评估委员会委员，2013年成为“Optical Interference Coatings”国际系列会议的节目委员会委员。