基于电子束双源共蒸的“无界面”高功率激光薄膜技术

The delamination damage morphology closely related to the discrete interface in the traditional coating is "catastrophic", and it is now the "bottleneck" which limits the further improvement of laser induced damage threshold of high reflection coating. Hence, overcoming the problems caused by the discrete interface has become one of the world widely interested research topics in the field of laser coating. In this project, we intend to design a "non-interfacial" multilayer coating, in which there is a continuous transition zone between two different coating materials. The transition zone is achieved by continuously changing the mixing ratio of the two coating materials. The preparation, as well as the damage mechanism of the “non-interfacial” multilayer coating, will be studied. Replacing the discrete interface in the traditional coating by a continuous transition zone, is expected to solve the "catastrophic" damage caused by discrete interface, and provide a potential option for achieving a breakthrough in enhancing the functional damage threshold of high reflection coating.

与传统多层膜中离散界面密切相关的分层剥落损伤是一种“灾难性”的损伤，也是目前限制高功率激光反射膜元件的功能性激光损伤阈值进一步提升的“瓶颈”问题。因此，攻克传统多层膜中离散界面引起的相关问题，以期实现高功率激光反射膜元件功能性损伤阈值的突破性提升，已经成为激光薄膜领域在国际上最受关注的热点研究课题之一。针对传统多层膜的离散界面问题，本项目拟设计一种“无界面”多层膜，即通过连续改变两种镀膜材料交替时两种材料的混合比例，形成具有连续过渡区的“无界面”多层膜。基于电子束双源共蒸技术研究“无界面”多层膜的制备；通过连续过渡界面取代传统多层膜的离散界面实现“无界面”多层膜；认识和理解“无界面”多层膜的损伤机制。本项目将有望解决离散界面诱导薄膜元件在激光辐照下产生的“灾难性”损伤问题，为未来突破性提升高功率激光反射膜元件的抗激光损伤能力提供一种潜在选择。

研究高功率激光薄膜产生“灾难性”损伤的诱因和损伤机制，以攻克限制反射膜元件功能性激光损伤阈值提升的“瓶颈”问题，是激光薄膜领域的热点研究之一。针对传统多层膜中两种镀膜材料交替的离散界面相关问题诱导多层膜发生分层剥落损伤，限制反射薄膜激光损伤阈值提升的问题，本项目设计了一种“无界面”多层膜，即通过连续改变两种镀膜材料交替时两种材料的混合比例，形成具有连续过渡区的“无界面”多层膜来解决离散膜层界面的问题。.本项目探索了混合物材料膜层特性随混合比例变化的规律，开展了“无界面”多层膜的膜系设计和膜层制备工作，研究了“无界面”多层膜的激光损伤特性和损伤机理研究。取得的主要研究结果如下：.（1）HfO2/SiO2混合物单层膜的折射率随着SiO2含量的增加先增大后减少。二维动力学蒙特卡洛模型的模拟结果表明，HfO2单层膜呈现柱状生长结构，随着SiO2的引入，柱状结构逐渐向无定形结构转变，膜层堆积密度较之前有所增加，膜层折射率随之增加。随着SiO2含量的进一步增加，混合物膜层呈现无定形结构，膜层折射率的变化符合等效折射率模型，即膜层折射率随着SiO2含量的增加而减少。.（2）结合光谱性能和激光损伤阈值要求设计了“无界面”多层膜，将渐变界面的厚度设计为~7nm，并实现了“无界面”多层膜的制备。制备的“无界面”多层膜具有与传统多层膜相当的光谱性能和更高的激光损伤阈值。激光损伤形貌研究结果表明，“无界面”多层膜有效抑制了分层剥落的损伤形貌。.（3）设计了具有更高界面吸收的“无界面”多层膜，实现了界面吸收和结合力问题的解耦，进而揭示了界面结合力问题是界面成为激光损伤源的主要因素。.本项目研究结果突破性提升了基频激光薄膜损伤阈值，研制的激光反射薄膜在2018美国劳伦斯利夫莫尔国家实验组织的激光损伤阈值国际竞赛中取得了第一名的佳绩。利用该技术的激光薄膜成功应用于激光聚变、超强超短激光和空间激光等领域。