（凝聚态物理专业论文）高功率激光作用下光学薄膜的场损伤研究.pdf

摘要 摘要 激光核聚变是解决人类的能源问题的一个重要途径，但其“点火”却一直是 个难题从全世界发展趋势来看，作为点火装置，激光器的输出功率越来越高，脉 宽越来越短。而薄膜作为光路传输中的关键元件之一，因为其内在的结构特性， 往往成为限制激光器功率的瓶颈。随着辐照激光的脉宽变短，其脉冲的峰值功率 密度将非常高，此时薄膜的损伤已经从原来的热损伤形式转变为场损伤形式为主。 因此对于薄膜在短脉宽，高电场情况下的损伤机制研究，具有重大的实际意义。 本文首先用理论分析及数值模拟两种方式对于光学薄膜的场损伤的微观机制 进行了研究，然后对光学薄膜中的驻波场问题进行了讨论。 文章的主要结构如下： 第一章：主要概述了目前国内外对于在光学薄膜损伤的研究概况。 第二章：介绍了光学薄膜损伤的基本理论。包括损伤的定义，薄膜损伤的理 论模型，提高薄膜损伤阈值的几种处理方法等。 第三章：分析了薄膜对激光能量吸收的微观机制，描述了薄膜损伤的微观过 程。在此过程中，我们用量子力学的方法推导了导带电子对激光能 量吸收速率公式。用数值的方法描述了薄膜导带电子密度，光学性 质随时间变化情况，计算了几种常见光学薄膜的场损伤阈值。 第四章：对光学薄膜的驻波场问题进行了讨论。提出了使用梯度膜来替代传 统层状高反膜的思路。并对其波长匹配，电场分布等问题进行了讨 论。 第五章：对研究过程中所得到的一些结论，进行了总结。 关键词：光学薄膜，强场损伤，梯度高反膜 a b s t r a c t a b s t r a c t i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ( i c f ) i sa l li m p o r t a n ta p p r o a c ht os o l v et h eh u m a n e n e r g yp r o b l e m ，b u ti th a sb e e nd i 简c u l tt om a k et h ei n t e r a c t i o nl a s e rp o w e rr e a c ht h e c r i t i c a lp o w e r t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi c f t e c h n o l o g yi st om a k et h ei r r a d i a t i o nl a s e r p u l s em o r es h o r t e ra n dt h ep o w e rm o r eh i g h e ri nt h ew o r l d o p t i c a lf i l mw h i c hi so n eo f t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si ns o l i dl a s e ri n s t r u m e n ti sa p tt od a m a g e ，s oi tl i m i t st h e o u t p u to ft h el a s e rp o w e r a st h el a s e rp u l s eb e c o m es h o r t e r , t h ef i e l dd a m a g ef o r mi s f r o mt h e r m a li n t of i e l d ，s ot h es t u d yo ff i e l dd a m a g em e c h a n i s mf o rt h eo p t i c a lf i l mi s n e c e s s a r yf o rt h ei c e i nt h ep a p e r , t h e o r ya n dn u m e r i c a lm e t h o d sa r eu s e dt os t u d yt h em i c r od a m a g e m e c h a n i s mo ft h ef i e l d ，a n dt h e nt h ep r o b l e mo fl a s e rs t a n d i n gw a v ea r ea l s od i s c u s s e d i nc h a p t e ro n e ，t h es t a t u sa n d t e n d e n c yf o rt h es t u d yo ff i l ma r ei n t r o d u c e da th o m e a n da b r o a d i nc h a p t e rt w o ，w em a i n l yd e s c r i b et h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo ft h eo p t i c a lf i l m d a m a g e t h ed e f i n i t i o no ff i l ml a s e rd a m a g e ，s o m ed a m a g et h e o r ym o d e l sa n dt h e m e t h o d st oi m p r o v et h ed a m a g et h r e s h o l dv a l u eo ft h eo p t i c a lf i l ma r ei n t r o d u c e di nt h i s c h a p t e r i nc h a p t e rt h r e e , t h em i c r oa b s o r p t i o nr a t eo f b a n de l e c t r o ni sa n a l y z e da n dt h e d a m a g et r a n s i e n tp r o c e s si sd e s c r i b e d o u rs t u d yi n c l u d et w op a r t s ( 1 ) q u a n t u m t r e a t m e n to ft h el a s e ra b s o r p t i o nr a t eo fc o n d u c t i o ne l e c t r o n s ( 2 ) t h ed e s c r i p t i o no ft h e e l e c t r o nd e n s i t ya n df i l mo p t i c a l p r o p e r t i e st r a n s i e n tp r o c e s s ( 3 ) t h ec a l c u l a t i o no f l a s e rd a m a g et h r e s h o l df o rs o m ec o m m o n o p t i c a lf i l m s i nc h a p t e rf o u r , t h ep r o b l e mo ft h el a s e rs t a n d i n gw a v ed a m a g ei nt h eo p t i c a lf i l m s i sd i s c u s s e d as u g g e s t i o nt h a tn s et h eg r a d i e n tf i l mt os u b s t i t u t et h ec l a s s i c a lh i g l l r e f l e c t i v i t yf i l mi sg i v e n t h ep r o b l e m so fw a v e l e n g t hm a t c h i n ga n dt h ei n t e n s i t yo f e l e c t r i cf i e l da r ea l s oa n a l y z e d i nc h a p t e rf i v e ，s o m ec o n c l u s i o n sf r o mo u rs t u d ya r el i s t e d k e y w o r d s ：o p t i c a lf i l m ，f i e l dd a m a g e , 黟a d i e n th i g hr e f l e c t i v i t yf i l m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期a 7 年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：趁尘猛 日期：矽7 年弓月亨e t 第一章绪论 第一章绪论 受控核聚变是解决人类的能源问题的一个重要途径，但其“点火 却一直是个 难题，目前各国普遍采用高功率的激光器来点火。从全世界发展趋势来看，作为 点火装置，激光器的输出功率越来越高，脉宽越来越短。而作为激光器关键元件 之一的薄膜，因为其内在的结构特性( 易损伤) ，往往成为限制激光器功率的瓶颈。 因此对于薄膜在短脉宽，高功率情况下的场损伤机制的研究具有重大的实际意义。 1 1 高功率光学薄膜的研究情况 自上世纪七十年代开始，国外对高功率激光薄膜进行了系统研究，其中l l n l ， b a l a z e r s ，a f w l ，b e r n e ，h a n o v e r 等机构的研究时间较早，目前国内也有许多科 研机构和大学从事这方面的研究。从现有的报道来看，影响激光薄膜的阈值因素 比较复杂，大致可归结为如下因素1 1 1 2 1 ：辐射条件( 激光波长、脉宽、重复频率、 光斑大小和激光模式) 、薄膜的光学特性( 折射率、吸收和散射) 、力学特性( 应 力、附着性、弹性、密度、微孔) 、热学性能( 传导、热容) 、化学组份( 化学计 量配比、杂质) 、结晶特性( 多晶、结晶度、非晶) 、微结构( 颗粒尺度、孔穴、 晶界、节瘤缺陷) 、表面形貌( 粗糙度、缺陷、裂痕、表面杂质、基片处理) 、膜 层设计( 电场分布、梯度渐变膜层、在规整膜堆中增加密封和缓冲层) 、环境影响 和使用处理( 环境气氛、激光预处理、水成份、灰尘、清洁等) 。牵涉到激光损伤 因素的复杂性还反映在影响阈值的因素对不同材料、膜层组合、沉积技术和激光 参数是不确定的。其总体可以归纳为下面几个部分： 从制备方法上来看，目前制备高阈值激光薄膜的方法主要有电子束蒸发【3 】、离 子镀 4 1 、离子辅助沉积【5 1 溶胶凝胶等【6 1 【7 】。从成膜效果来看这几种方法各有其特 点( 1 ) 电子束蒸发( e b e ) ：缺陷较多( 节瘤，孔洞，划痕，裂纹，疤痕) 结构较 疏松，内应力小。与溶胶凝胶方法相比，膜密度较高，表面粗糙度小( 2 ) 溶胶凝 胶( s o l - g e l ) ：膜密度较小，结构疏松( 多呈拄状，网状结构多孔) ，化学计量易 改变( 形成亚系化物或离子) ，内应力小。( 3 ) 离子镀( l a d ) ：膜致密针孔少，内 应力大，表面粗糙度小。( 4 ) 离子辅助沉积( p i a d ) ：膜致密均匀无漂移，内应力 相对于溶胶凝胶和电子束蒸发仍较大。从抗激光损伤的能力来看，溶胶凝胶的方 电子科技大学硕士学位论文 法，虽然成膜效果不好，但在实际的损伤测试中却比其他几种方法要高很多，其 主要原因是其结构疏松，当薄膜受热膨胀后其内应力较小，所以不容易出现损伤【8 】。 从薄膜损伤机理的上来看：光学薄膜的损伤是一个复杂的激光与物质相互作用 的问题，它涉及到光热、光电、激光参数、材料性质、非线性吸收、电场作用和 等离子体产生等物理过程。其主要可以分为：( 1 ) 热效应，材料将吸收的光能转 化为热能，形成局部高温和温度梯度，由此产生热熔或热应力损伤，其主要由材 料的杂质与缺陷所决定。当激光的脉宽较长( n s ) 或连续激光辐照时主要是这种机 制起作用。( 2 ) 强场损伤，当电子所吸收的能量来不及传递给晶格，损伤形式主 要是雪崩电离，多光子电离等，其主要由材料的本身属性所决定当激光脉宽较短 时( p s ) ，主要是这种机制起作用。 从提高光学薄膜损伤的工艺技术来看【1 4 。2 0 】：经过几十年的研究，除了使用新的 制各方法外。还主要包括：( 1 ) 对于膜或基片的外在处理手段：材料退火处理、 各种新发展起来的抛光技术( 火焰抛光、离子束抛光、等离子体抛光等) 、化学腐 蚀法、等离子溅射轰击处理、光学材料掺杂处理和离子交换增强、激光预处理等。 ( 2 ) 光学薄膜的一些设计手段，如驻波场设计，温度场的设计等等。 1 2 本文的研究内容 本文主要研究光学薄膜由强场引起的损伤，其研究内容主要分为2 个部分 1 从微观模型出发分析：( 1 ) 材料对于激光的吸收机制 ( 2 ) 激光辐照对于材料光学性质的影响 ( 3 ) 对光学薄膜场损伤阈值的计算 2 通过膜系设计的方法寻找提高光学膜系损伤阈值的方法。 1 3 本文的研究手段 本文主要使用理论分析及数值模拟的方式进行研究。 2 第二章光学薄膜损伤的基本理论 第二章光学薄膜损伤的基本理论 光学薄膜是指实现特定光学性质的薄膜，有特定的厚度和折射率分布，主要 包括：高反膜，增透膜等。光学薄膜的损伤是一个复杂的激光与物质相互作用的 问题，它涉及到光热、光电、激光参数、材料性质、非线性吸收、电场作用和等 离子体产生等物理过程。 2 1 光学薄膜损伤的定义及作用方式 薄膜损伤定义为经激光照射后薄膜发生了不可逆的物理变化。通常这类变化 指的是薄膜的破裂、剥落、熔化、蒸发、出现波纹等。根据激光功率密度和能量 密度的不同，激光损伤又可分功率损伤和能量损伤两种，前者指高功率短脉冲的 激光电场效应引起的损伤，多以炸裂损伤为主；后者指长脉宽和连续激光的高能 量引起的热效应损伤。薄膜的损伤阈值的定义主要有两种【1 2 1 ( 1 ) 使薄膜损伤的最 低能量密度和不使薄膜损伤的最高能量密度两者的平均值i n 5 0 损伤概率( 2 ) 对 测试结果进行统计分析的基础上、取对应于零损伤几率、即能够使薄膜损伤的最 小能量密度值为损伤阈值。 激光对薄膜损伤的作用方式可分为如下三种：( 1 ) 1 - o n - 1 ，即每处作用一次；( 2 ) s o n - 1 ，用相同的激光能量脉冲以相同的激光能量脉冲以相同的时间间隔在元件的 同一点上照射多次；( 3 ) r o n 1 ，用等比例增加的激光能量脉冲以相同的时间间 隔在薄膜的同一点辐照多次。 2 2 薄膜在激光作用时的一些损伤模型 2 2 1 长脉宽激光作用时的损伤模型 薄膜在长脉宽激光及连续激光作用时，其损伤主要以热损伤为主，杂质与缺陷 是造成损伤的主要原因【1 2 - 1 5 1 。下面是一些常见的模型。 1 l a n g e 模型 电子科技大学硕士学位论文 很多实验表明：薄膜的消光系数k 和折射率n 越小，薄膜的损伤阈值就越大即材 料对光能量的吸收愈少，其损伤阈值就愈大。l a n g e 假设损伤是由于杂质吸收光能 升温引起的，从而给出了阈值公式： - _ _ - 。- _ _ _ _ _ 一 e 乙4 c k r ( 2 1 ) 式中，e 为阈值能量密度，已为材料溶化的温度，c 为比热，足为热传导率， 7 为激光脉宽。 这一模型与实验结果基本符合，说明了损伤是由基膜界面随机分布的微小缺陷及 杂质引起的。因此人们设想了多种办法来提高基膜界面质量，包括发展新的抛光工 艺、烘烤基板、对薄膜进行辐照预处理等。 2 h l g a o 的模型 l a n g e 的理论能够说明损伤阂值与波长、脉冲带宽、吸收率等之间的关系，但它 们中未知量太多，如覆盖的形式、大小、杂质的分布等，从而使它们应用起来很困难。 因而近年的理论认为，在建立数学模型进行分析时，应尽量抓住主要原因，以减少未 知量。 h l g a o 从瞬态耦合热弹性理论出发，假设基膜界面质量好的情况下计算由于 温度梯度引起的热弹应力。若此热弹应力加上由镀膜过程中产生的内应力大于薄 膜的抗拉强度时，薄膜就会产生裂缝或破裂。由于破裂的薄膜吸收率骤然变大，从而 导致其熔化、蒸发，形成薄膜损伤。 在计算过程中假设：( 1 ) 基底为半无限体( 基底厚度远大于膜厚) ( 2 ) 膜 为无限大的薄板( 相对于激光束而言) 将他们看成一个弹性体在受辐照前占据了 x 0 的空间，突然吸收了峰值功率为p 。的谐波能量( p ( t ) ) ，在给定初始值与边界条 件下可以解出： b c z e 仃 k ，一k s 0 * - - j - s q 删= 而了 q - 2 脚= o x x , p e a k - 一等警c 孚叫；警 3 ， 式中，七，= 多乞( i - f ，s ) 盯，吒为薄膜及基底的吸收系数，e o 为峰值能量密度，口 为热膨胀系数，b 为体积弹性模量，靠，为薄膜折射率，为刚性模量，名是损伤系 数，缈是脉冲频率下面是一次实验后( 激光波长2 4 0 硼，脉宽2 0 n s ) 的计算结果： 4 第二章光学薄膜损伤的基本理论 表2 - 1 激光辐照过程中薄膜的内应力计算 膜材折射损伤系 on | 嗽 一o 4 | 蝻 材料拉伸应力内应力 料 塞 数 ( n c m - 2 )( n c m - 2 )( 1 0 5 n c r n - 2 )( 1 0 5 n g i t i 2 ) a 1 2 0 3 1 7 20 0 0 0 10 0 2 01 5 12 5 4 05 9 0 0 0 h f 0 2 2 2 5 0 0 0 5 61 7 6 01 2 8 0 04 0 5 0 0 l a f 3 1 5 9 0 0 0 1 60 7 0 05 1 0 06 2 4 0 0 l i f 1 3 7 0 0 0 0 20 0 7 85 7 0 0 6 8 6 m g f 2 1 4 30 0 0 0 40 1 7 5 1 2 7 2 3 4 3 0 0 m g o 1 8 30 0 0 0 90 3 3 02 4 1 59 6 03 4 3 0 y 2 0 3 2 1 00 0 0 0 70 2 2 11 6 0 9一1 5 5 0 z r 0 2 2 2 5o 0 1 1 03 5 1 02 5 2 9 7 1 2 3 52 6 7 5 0 从上表可以看出，薄膜中存在着一个比较大的内应力。由于薄膜内的连接并不 十分牢靠，当内应力超过机械拉伸应力时，薄膜就会破裂。同时，当横向应力超过 1 0 之p a c m 乏时，微破裂就会变大，吸收能量增多，从而产生熔化损伤。 3 b a b bmt 等关于基膜界面杂质或微缺陷的分析 上面的理论实际上并没有考虑到基膜界面的问题。大量的实验已经证明：当表 面质量不清洁，有较大的杂质或微缺陷时，在强激光辐照下，杂质吸热膨胀：若界面 没有足够的空间可以容纳时，产生的应力便会导致薄膜的破裂。b l e m b e r g e n , h o p p e r 及v h l m r r l n 指出，金属杂质的蒸发亦会引起薄膜的损伤。传统的镀膜方法是很容易 出现上述情况的。因而国内外大多数薄膜损伤的数学模型实际上都是建立在这种 5 电子科技大学硕士学位论文 假设的基础上的。其中的一种模型给出了一个比较简明实用的公式： e ：堕l ( 越f ) ( 2 4 ) 式中，p 为薄膜质量密度。该式与公式( 2 一1 ) 近似，都说明了杂质在损伤中的重 要作用。 4 l j s h a w k l e i n 的模型 随着镀膜工艺的发展，基膜表面质量不断提高，人们在实验中观测到一些薄膜 表现出反常的特性。这些特性已经不能用式( 2 4 ) 加以解释。例如：s o l g e l 膜， 它的孔隙率为5 4 ，却表现出较高的抗辐照能力。同样蒸发式薄膜。虽然表面粗糙， 然而它也有高损伤阈值。其主要原因是s o l g e l 膜与蒸发式薄膜的基膜界面处空 隙较大，当杂质吸热膨胀并运动时，由于周围有足够的空间容纳，吸收的能量可以通 过运动而散失，从而提高了损伤阈值。根据上述观点可推导出温升的公式： a t ( t ) = ( m k ) l n ( h q k t ) ( 2 - 5 ) 式中 m = a 1 ( 4 f 1 2 ) ，q = 4 p 2 p c ，a = p o p 2 ( 1 - r ) ( 1 一e 矿) ( 瘢) ，口是薄膜吸收 系数，提薄膜反射系数，口是光束截面，是束腰半径倒数，只是激光功率。对孔 隙率较大的膜，从杂质吸收点到表面距离d 与孔径尺寸相当，一般约为0 1 岫，因而 受辐照后，r 实际上就比致密膜少了一阶，故阈值提高。而当膜厚大于0 1 p , m 时， 这一优势不复存在，k 成为主要因素。 5 自聚焦效应 在强激光作用下，材料的电介质常数g 与激光强度有光强度e 有关，即有 占= 知+ 去占2e 2 ( 2 6 ) 其中、n o 分别是材料通常的线性介电常数，岛为材料的非线性介电常数，激 光电场矢量e 的平方与激光强度成正比。当入射强度为分布为高斯型的激光束，造 成介质的折射率也有类似的现象，因此光束中心部分的相速度变小，而在边缘部 分则较大，使光波的等相位面变成凹面，光束逐渐会聚成很细的光束，这就是所 谓的自聚焦现象。当然只有当激光束功率必须超过某临界时才会产生明显的自聚 焦效应现象。平行入射激光束的临界自聚焦功率为： p ，：堕 ( 2 7 ) p 口5 6 4 n r 2 n lz。，2 当激光自聚焦后，中心处的密度有可能很高，自聚焦光束的焦点在向前运动 6 第二章光学薄膜损伤的基本理论 过程中会引其丝状破坏。 2 2 2 短脉宽激光作用时的损伤模型 当激光的脉变的较短时，电子吸收的激光能量来不及传递给晶格，很多实验已 经发现关于损伤阈值与激光脉宽平方根成正比的预言发生了偏离【2 心5 1 ，近年来超 短脉宽的损伤研究已经表明对于高质量的一些膜层由杂质引起的损伤已经处于次 要地位，其本征损伤已经成为薄膜损伤的主要原因。下面是描述本征损伤的一些 理论。 1 电子崩电离 这是由y a b l o n o v i t c h 和b l o e m b e r g e n 从早期的直流电子崩击穿概令引入的。这个 模型可大致描述如下：介质原子导带中某个电子可以通过吸收入射激光束的能量 而加速，如果吸收的能量足够大，这个导带电子就可变成两个。这两个电子继续 重复上面的过程，最终将使导带电子密度急剧增加，直至在样品局部区域形成强 烈吸收激光的等离子体。然后通过等离子体与后续激光相互作用，使得初始的损 伤发展为宏观的灾难性破坏。这个模型假设存在少量的自由电子( 由金属杂质、 缺陷、杂质离子提供) 然后通过求解e p s h t e l n 方程得到材料中电子密度分布函数与 电子崩电离率，然后以电子的频率与激光频率相同时的密度为判断依据得到损伤 电场强度阈值的表达式 巩=警cw2+去，丽1te m t n ( t 协8 ， k 2 、 。钟7。l 乡) 式中m 。为电子质量，e 。为材料带隙能量，c ，为样品的声速，l 为再生电子数， 吃为玻尔兹曼常数，丁为温度，g 为电子电荷，。为电子一声子碰撞的平均自由程， f 。为损伤激光束脉冲宽度，w 为激光频率。如写成能量密度的表达式，则有： ，凼= o 5 e ：e 2 曲j l ( 2 9 ) 1 1 1 f ， 式中占为电子能量，c 为光束，厶为能量损伤阈值。从公式( 2 8 ) 与公式( 2 9 ) 可以看出，损伤阈值随禁带宽度的增加而增大，随着脉宽的增加也增大，但随着 激光波长的增加却减小。 2 多光子电离 多光子电离机制和电子崩电离机制有一定的相似性，都是因为导带电子剧增 加引起损伤的形成，区别在于导致电子剧增的原因是价电子对多光子的吸收。当 7 电子科技大学硕士学位论文 激光能量大约是固体材料带隙妻时，多光子电离理论对价电子的电离产生重要作 用。材料的双光子和三光子吸收系数主要通过实验测定，用高阶微扰理论计算得 到的结果与实验也基本符合。四光子以上的多光子吸收系数主要用k e l d y s h 理论计 算，一个近似的解析公式为： 成嚣( 和丽e 2 ) ”器 协 式中国为辐照激光的频率，聊，为电子的有效质量，c 为真空中光速，晶为真空 介电常数，扰= m o d ( 。彩) 是多光子吸收过程中的阶数，n o ，忍为薄膜的折射率 与禁带宽度。 3 电子崩电离和多光子电离的组合 电子崩电离和多光子电离的组合理论的物理思想认为，导带中电子密度随时 间的增长率由单位时间、单位体积中因多光子电离发生的越迁电子数既和电子崩 电离引起的变化几等两部分叠加组成。根据这一思想，并假设电子崩电离过程与 多光子吸收过程同时发生，其电子密度表达式为： 了d n ( t ) ：口o ) f ，o ) + 尾 手，o ) m 】一垒攀堂 ( 2 1 1 ) 式中为n ( t ) 为电子密度，口为碰撞电离系数，善为常数，( f ) 为激光光强，成 为上式的表达式。以电子的频率与激光频率相同时的密度： c = ( 万，l 。c 2 e 2 旯2 ) ( 2 1 2 ) 作为材料损伤的判断标准就可以得到阈值的公式 4 非线性吸收 非线性吸收破坏的物理机制是：当高功率激光脉冲入射到膜中，产生非线性吸 收，使得聚焦点处材料发生电离，形成等离子体，等离子体膨胀和材料局部升温 引起的热膨胀造成极大的局部应力，从而使光学材料产生炸裂破坏。除了上述的 一些理论外还有很多其他的理论如：隧穿电离，自由等离子体吸收等。 2 3 影响薄膜损伤的一些因素 2 3 1 材料本身的因素 1 杂质缺陷 第二章光学薄膜损伤的基本理论 杂质缺陷对损伤的影响既与外界的激光参数又和杂质本身的特性有关，如：杂 质的吸收截面、尺寸、热导率、热扩散系数和比热容等参数。通常杂质尺寸越小， 热损失越大，杂质颗粒引起材料损伤的可能性越小。当杂质尺寸较大时吸收的光 能不足以使它升温到一定值时，它也不易造成损伤。所以，在一定的激光参数下， 存在一个最有害的杂质尺寸，使材料最易受到激光损伤。计算表明：在纳秒脉宽范 围中，最容易产生损伤的尺寸是亚微米量级薄膜微缺陷，特别是结瘤缺陷是光 学薄膜中最重要的缺陷类型之一，它的存在不仅影响薄膜的光学性质，更重要的 是导致薄膜的激光损伤，大量实验研究表明大部分的激光损伤是从结瘤缺陷点开 始逐步扩展的，所以对高功率激光薄膜来说，结瘤缺陷的研究对于薄膜激光阈值 的提高至关重要。图2 1 与图2 2 是节瘤的结构图： 图2 - 1 节瘤的显微结构图图2 2 节瘤的结构模型图 由结瘤缺陷引起损伤的主要过程如下图所示： ( a )节瘤的起始阶段 一气9 cp 一 ( c ) 节瘤的临界阶段 图2 3 节瘤的损伤过程图 9 ( b ) 生长阶段 玎rrf 9 ，：魄 ( d )节瘤的损伤阶段 嗣 翥 电子科技大学硕士学位论文 由图2 3 可知：节瘤的产生是由一些种子开始的。种子的来源主要有两 个：( 1 ) 镀膜前的杂质。( 2 ) 镀膜过程中的膜料喷溅。 口呐瓣 篝。 i t 蕾m d l i n g ，p o s h t n g & c l e a n t n gp e s d u e k | l 图2 _ 4由杂质引起节瘤的示意图 图2 5由喷溅引起节瘤的不意图 因此在镀膜之前要首先保证基片的清洁，在镀膜过程中要选择合适的沉积速 率。 2 膜的厚度 厚度对损伤的影响包含以下几个原因：首先，薄膜厚度的变化使得薄膜内部 的驻波场发生了变化，从而影响损伤阈值。其次，随着厚度的增加，内应力和结 构缺陷也将增加从而导致阈值的降低。一般而言：厚度越厚其激光损伤阈值就越 低。当然这种趋势因膜料的不同而有差异，实验表明：s i 0 2 、a 1 2 0 3 没有明显的厚 度效应，而z n s 、z r 0 2 等较为明显。通过对不同薄膜的表面吸收和体吸收的测量表 明，厚度效应存在差异的原因之一是表面吸收与体吸收的强弱不同。如：s i 0 2 的表 面吸收和基体与薄膜的界面吸收都大于体吸收，其破坏阈值则由界面吸收所决定， 而z r 0 2 膜的表面或界面吸收弱于体吸收，导致其损伤阈值随厚度增加而明显下降。 1 0 曼 制 摊 第二章光学薄膜损伤的基本理论 3 基体的表面状态 基体是薄膜的载体，其特性对薄膜的激光破坏阈值有极大的影响。首先，基 体有不同的结构、膨胀系数、预应力和热传导特性及表面能态。它们决定了膜表 面具有不同的应力、界面力和界面吸收，以及不同的温度分布。因此不同基体的 同样薄膜其激光损伤阈值可能是不同的。实验表明：沉积在s i 0 2 、c a f 2 、a 1 2 0 3 三 种基片上的薄膜破坏阈值，以沉积在舢2 0 3 上的为最高，这个结果是同基体的热传 导率相关联。三种基片a 1 2 0 3 的热传导率最高，c a f 2 次之，s i 0 2 最低。但不同基体 的高反射膜的破坏阈值却基本上相同，这是驻波场分布造成的结果。另外，基体 的抛光、清洗工艺和表面粗糙程度，也是影响薄膜损伤的重要因素。因为抛光工 艺决定了基体表面缺陷的大小、多少和缺陷的性质。而薄膜的粗糙程度在很大程 度上取决于基体的粗糙程度，基体的清洗工艺若处理不当就会残留抛光辅料和引 起缺限源，从而有可能导致膜中节瘤的产生。实验表明真空室里的激光清洗，可 以得到有较高破坏阈值的薄膜。 4 材料的吸收系数与非线性折射率系数 强激光与光学材料相互作用，实际上就是材料吸收激光产生物理变化的过程。 材料对激光的吸收系数对激光损伤有直接的影响，一般是吸收系数越小，激光损 伤阈值越高，吸收系数越大，损伤阈值越低。 材料的非线性折射率系数包括n ：( 丁) 、，l ，( s ) 、( 目，即热、电致伸缩系数和 非线性极化三部分。对于长脉冲激光和连续激光的损伤以热损伤是主要方式，热 致伸缩系数，z ，( 丁) 对材料的损伤也有很大的影响，一般认为随着热致伸缩系数的增 加，薄膜的损伤阈值是明显降低的。对于微秒以下脉宽的激光而言主要是电致伸 缩系数起作用，电致伸缩系数越高损伤阈值就越低。纳秒级激光脉冲引起的损伤 主要取决于非线性极化系数。一般情况下材料的非线性系数越高损伤阈值就越低。 2 3 2 薄膜的制备工艺参数的影响 薄膜的制备工艺对薄膜结构性能有很大的影响，从而进一步影响薄膜的损伤 阈值。下面是一些常见的制备工艺参数。 1 沉积速率 沉积速率的影响主要包括两个方面：( 1 ) 膜的光学质量。( 2 ) 膜的力学结 构。低沉积时大多数气体分子从基体返回，凝结只能在大的凝结集团上进行，所 以一般而言膜的结构松散且产生大颗粒沉积。由于真空室中剩于的气体分子在基 体上会和凝结分子发生反应，这种作用将大大降低成膜物质的纯度，沉积速率越 电子科技大学硕士学位论文 低，这种反应越充分，膜层的纯度越低。高沉积时膜层结构均匀紧密，机械牢固 性增加与基体的附着力变强，光的散射减小，折射率增加。但过快的沉积速率可 能会导致膜层内应力太大，有时会导致膜的破裂，所以沉积速率应当进行适当选 择。另外沉积速率与基体温度，通入气体的流量和比例，射频功率的大小都有密 切的联系，所以在选择沉积速率时应综合考虑这些影响因素。 2 真空度 真空度对薄膜有直接影响( 1 ) 剩余气体分子可在基体上吸附而影响膜层结构 ( 2 ) 原料与剩余气体之间的化学反应( 3 ) 影响沉积速率。一般而言，氧化物的 光学性质对真空度的依赖关系很强( 空气中有氧，水份) ，往往由于真空度的变化 导致膜化学计量的变化而导致薄膜光学性质不稳定。如在一些实验中：s i 0 2 膜在 真空度( 1 0 巧乇时，折射率1 9 5 ，沉积速率2 0 0 a m i n ，主要成分s i o ：在真空度) 1 0 4 乇时，折射率1 6 ，沉积速率 1 0 n m m i n ，主要成分s i 2 0 3 。当薄膜从真空室 到空气中时一般由于吸受大气中的水分将导致薄膜折射率发生变化，如：z r 0 2 在 真空室中折射率为1 6 5 在空气中1 8 5 。 3 基体温度 基体温度对薄膜的影响主要包括三个方面：( 1 ) 薄膜结晶状态( 2 ) 薄膜的内 应力、附着力、机械强度( 3 ) 薄膜的光学性质，基体温度越高沉积分子越容易在 基体上运动或者离开基体，所以基体温度越高，所需成临界气压越高而且大颗粒 越容易形成，另外高温会促进其从物理吸附到化学吸附的转变从而引起( 1 ) 膜层 附着力的增加。( 2 ) 减少气体分子再结晶温度与基体温度之间的差异，这可减少 或者消除膜层内应力。( 3 ) 促进凝结分子与剩余气体的化学反应，改变膜层的结 晶形式和结晶常数，从而改变膜层的光学性质。在多层膜的制各过程中，提高基 体温度对改进膜层之间的结合性能，提高多层膜的机械牢固性也很有帮助。但过 高基底温度的会形成大颗粒凝结，使材料分解，变质，致使膜层变成乳白色。基 体温度较低时大颗粒的产生较少，减少了光的散射和氧化反应引起的光的吸收提 高反射膜的反射率。但过低的温度会使再结晶温度与基体温度差异较大，导致膜 层本身硬度较低且与基体的结合不好，从而引发内应力过大使膜层破裂。如i b s 方法做s i 0 2 h f 0 2 膜时基体温度较低时所成的膜内应力较大，在空气中极易剥落， 其激光损伤阈值极低。而在提高基体温度后这种剥落情况得到了很好的克服，所以 在实验中要选择适当的基体温度。一般而言薄膜的光学性质对基体温度的依赖性 很大，对氧化物影响更大，总的来说基体温度越高折射率越高。另外基体温度还 会影响显著影响气体的沉积速率。 1 2 第二章光学薄膜损伤的基本理论 4 通入气体的流量种类和比例 通入气体的流量和比例对薄膜的影响体现在以下几个方面( 1 ) 沉积速率。( 2 ) 薄膜的化学计量比。( 3 ) 晶体结构。一般而言在射频功率一定的情况下沉积速率不 但与通入气体的流量和比例有关还与通入气体的种类有关。以c h n 膜为例，在 c h 4 一定的情况下它的沉积速率随着通入n 2 气量比例的增加在开始阶段有所增 加，然后出现饱和或有所下降。而在通入n i - 1 3 i - 1 2 时其沉积速率随着通入量的增加 而减少其原因可能与n 2 和n h 3 i - 1 2 气不同的键能有关。对于s i 0 2 h f 0 2 而言如果通 入的气体中o 的含量过少则形成s i q ( 0 x 2 ) h f o x ( 0 x 2 ) ，适当控制气体的流量 和比例就可获得较理想的计量比的s i 0 2 h f 0 2 。制备s i 薄膜时以s i h 4 h 2 为原料 在低基体温度低时沉积速率低时，一般形成非晶硅薄膜，除非在氢大于9 0 ，沉积 速率大于1 a s 的条件下才能生长出，而以s i c l h 2 为原料则能较容易在硅片和玻璃 上得到晶化的薄膜。 5 射频功率 射频功率可以影响基团的组分和离子的动能从而影响薄膜的晶化率与沉积速 率，一般而言在其它参数不变的情况下。沉积速率随射频功率的增加而增加，但它 也与通入气体有关如：在制备s i 薄膜时沉积速率随着射频功率的增加而增大，达 到最大值后出现减少的趋势，这可能与 r 离子对生长表面轰击导致解附加强的结果， 而随着射频功率的增加和沉积速率的增加，晶化率却逐渐下降。 2 3 3 激光参数的影响 1 激光波长 大多数膜的损伤值随着波长的减少而下降，即所谓的“波长效应 ，但有些材 料的激光损伤没有明显的波长效应，反而随波长的减少而增加。目前光于波长效 应的解释主要有两种( 1 ) 是电子崩电离，认为激光损伤值随着波长减少而增加( 2 ) 多光子电离认为波长越短光子能量越大，电离效应会表现的更明显，从而使的激 光损伤值下降。由于光学材料本身的物理化学性质的不同，对波长效应的这些解 释还不是很清楚，在实际应用中必须测量不同波长激光作用下的损伤值才能确定 哪种材料是主要作用。 2 脉宽 强激光作用时膜的损伤值与激光脉宽有着明显的关系，因为脉宽越短，激光功 率越高，激光电场效应对材料的损伤作用越大。对与纳秒激光而言，由于杂质引 电子科技大学硕士学位论文 起的损伤其阈值一般与脉宽平方根成正比，当脉宽处于亚皮秒阶段时，本征损伤 处于主要地位，此时阈值与脉宽将不在是上述的规律 2 4 提高薄膜损伤阈值的几种常见的方法 1 激光预处理 以亚阈值能量密度激光辐照薄膜使其损伤阂值增加的方法称为激光预处理【l8 | 。 关于激光预处理的机理目前主要有两种：一是认为激光预处理去除了膜层表面的 吸附杂质、缺陷以及吸附水分，即“激光退火”或“激光清洗”机制；二是“电 子缺陷杂质机制”，持此看法者以劳仑斯里弗莫尔国家实验室( l l n l ) 的学者为 主。在薄膜的破坏中，激光束的互作用使导带电子发热，接着就转移能量到晶格。 当膜层温度达到某个临界值，比如介质材料的熔点时，破坏就会出现。薄膜出现激 光损伤应具备以下两个条件：( 1 ) 导带中有电子，这些自由电子主要是由热离化 或表面缺陷形成的场离化而产生的；( 2 ) 激光能量足够高，可转移多余能量至晶格。 而激光预处理正是移走了上述第一点中的导带电子的来源。在介质材料的禁带中 由于晶格结构上的缺陷或其他原因而引进一些杂质缺陷能级，它们或处于深能级 或处于浅能级，其中有些能级被电子所占满。 下图是一个典型的激光预处理的对比图： e 图2 - 6激光预处理对比图 由图2 6 可发现薄膜表面原有可见的吸附杂质、水分和擦痕在预处理后都基本 消失，这一点有力地证明了“激光清洗机制”的存在。目前清洗的方式有两种( 1 ) 同种强度激光多次照射( s o i l 一1 ) ：( 2 ) 光强随时间逐渐上升的激光多次照射 1 4 p _ 5 0 0n fj 溺 | 。n h 第二章光学薄膜损伤的基本理论 ( r - o n - 1 ) 。在一些实验中已经发现h f 0 2 s i 0 2 和z r 0 2 s i 0 2 反射膜般通过激光预处 理后损伤阈值从7 4 j c m 2 并1 1 7 1j 甜能达至t j l 9 8j 矗和1 8 8j 锄2 将近有一倍的提 高。 2 驻波场设计 当激光在光学薄膜中传播时，一般会在薄膜中形成驻波场1 2 0 ，如果在某个位置， 反射波和入射波相位为2 万的整数倍时，则在该处形成波腹，如果是7 r 的奇数倍时 则形成波结。对于经典高反射膜而言其波峰通常出现在两个膜料的界面处，而通 常界面处容易富集杂质与缺陷，这往往使得在界面处容易出现损伤。所以要对此 进行膜系设计，使得电场的波峰偏离界面处。但传统的设计方法能够对于降低界 面处的电场起到一定的作用，但不能彻底地解决这类问题，在第4 章中我们将对这 个问题做详细讨论。 3 温度场设计 在长脉宽激光辐照作用下，导致薄膜损伤的直接原因是激光加热引起的温升， 温度场的时间和空间分布，可以通过求解有激光源的热传导方程来确定。对于高 功率的激光薄膜来讲。温度场设计的目的是降低峰值温度，并且使膜内的温度分 布尽量均匀【2 0 1 。另外还有等离体清洗，对光学膜系增加保护层等常见的方法。 2 5 讨论 讨论：对薄膜损伤机制的研究，涉及到非常多的知识领域。在基础理论方面与 光热、光电、非线性吸收、等离子体产生等很多研究方向相关。在工程技术方面 与薄膜的制备工艺、薄膜的处理工艺、激光脉冲波形的调制等紧密联系。因此对 于薄膜损伤问题的探讨是一个非常复杂的问题，其有很多的研究内容。我们的工 作主要集中在光学薄膜的场损伤方面。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 第三章高功率激光作用下光学薄膜场损伤的微观机制研究 当激光的脉变的较短时( 小于亚皮秒) ，电子从激光场吸收的激光能量来不 及传递给晶格，很多实验已经发现关于损伤阈值与激光脉宽平方根成正比的预言 发生了偏离。近年来，超短脉宽的损伤研究已经表明：对于高质量的一些膜层而 言，杂质引起的损伤已经处于次要地位，由强场引起的本征损伤，已经成为薄膜 损伤的主要原因。对于薄膜的场损伤的研究，首先从薄膜对激光能量吸收的微观 机制开始。 3 1 光学薄膜对于激光吸收的微观机制 材料对于激光能量的吸收是各种损伤发生的前提【2 6 1 1 2 7 2 8 】【2 9 1 ，目前认为主要的 吸收机制有：( 1 ) 光学薄膜中束缚电荷对于激光的吸收。( 2 ) 缺陷态电子及价态 电子跃迁到导带时对于激光的吸收。( 3 ) 导带电子在纵光学声子，声学声子或空 穴的参与下对于激光的吸收。 3 1 1 光学薄膜中束缚电荷对于激光的吸t l 女：t 1 】 一般认为束缚电荷在激光场作用下其运动方程是一个阻尼受迫振子，其运动方 程为： m x _ + 厥+ 伍= e e e x p ( i w t ) ( 3 1 ) 这里e 是电荷，f 是衰减常数，g 是回复力常数，雪e x p ( i w t ) 为定域电场。其 中复振动位移曼可由( 3 1 ) 式得到： 珏x oe x p ( i w 归旦忑靠f e x p ( i w t ) ( 3 - 2 ) m0wmw 一一+ l f | 所以束缚电荷运动的速度为： 矿= 一ei 半- 云e x p ( i w t ) ( 3 3 ) mw 2 0 w 2 + i f 研 因此其对能量的吸收速率为： 1 6 第三章高功率激光作用时光学薄膜场损伤的微观机制研究 w = e e x p ( i w t ) 矿 ( 3 4 ) 这种吸收存在着共振吸收的情况， 异