（光学工程专业论文）900nm～1100nm抗激光损伤高反射膜的研究.pdf

1 1 1 1111i fl li iii i iiii ii 、t17 4 0 9 3 0 长春理工大学硕士学位论文原创i i 声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，( ( 9 0 0 h m 1 1 0 0 l m l 抗激光损伤高反 射膜的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果出本人承担。 作者签名：避、 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数扼库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 芎掌 芍笋 立 互 业 一 皴哗磁啤 针对光学仪器的使用要求，在1 0 1 8 m m 的k 9 基底镀制抗激光损伤的高反射薄膜， 能够同时满足半导体激光器和y a g 激光器作为光源的特殊应用。 本文根据薄膜干涉原理和使用技术要求进行膜料的选择、利用t f c 软件进行膜系 设计。采用电子束真空镀膜并加以考夫曼离子源辅助沉积，通过对镀制后基片的测试 结果分析，调整镀膜工艺参数和监控方法减小了膜厚误差。选择t i o ：和s i o ：作为高低 折射率材料，解决了薄膜的光学损耗和抗激光损伤等问题。 制备出的抗激光高反射薄膜，当激光以4 5 。角入射时，在9 0 0 n m l l o o n m 波段间 的p 光与s 光的反射率大于9 9 9 5 ；并且通过环境检验，膜层能够工作于恶劣的空间 环境和承受强激光光源的照射，满足使用要求。 关键词：光学薄膜高反射膜激光损伤消偏振 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h es p e c i a la p p l i c a t i o n so fo p t i c a li n s t r u m e n tt h a tc o u l du s eb o t h s e m i c o n d u c t o rl a s e ra n dy a gl a s e ra sl i g h ts o u r c e w ed e p o s i th i g hl a s e r - i n d u c e dd a m a g e t h r e s h o l dr e f l e c t a n c ef i l mo n10 木1 8 m mk 9b a s e m e m b a s eo nt h et h e o r yo fi n t e r f e r e n c ea n dt h eu s eo ft e c h n i c a lr e q u i r e m e n t st oc h o o s e c o a t i n gm a t e r i a l s ，u s et f c s o f t w a r et od e s i g nt h ec o m i n gs t r u c t u r e a d o p t i n ge l e c t r o nb e a m v a c u u mc o a t i n ga n dk a u f m a ni o ns o u r c ea s s i s t e dt e c h n i q u e ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h et e s tr e s u l t o fc o a t e ds u b s t r a t e ，a d j u s t i n gp a r a m e t e r so fc o a t i n gp r o c e s sa n dm e t h o do fm o n i t o r , t h ee r r o r o ft h i c k n e s si sr e d u c e d c h o o s i n gti0 2a n dsi0 2a sh i g ha n dl o wr e f r a c t i o nm a t e r i a l s ，t h e p r o b l e m so ft h i n f i l mo p t i c a ll o s sa n d a n t i l a s e r - i n d u c e dd a m a g ea r es o l v e d p r e p a r e da n t i - l a s e rh i g h - r e f l e c t i v et h i n f i l m ，w h e nt h el a s e ri n c i d e n c ei s4 5 0 ，r e f l e c t i v i t y o fp - c o m p o n e n ta n ds - c o m p o n e n ta tt h ew a v e l e n g t hb e t w e e n9 0 0 n m 6 _ 1lo o n mi sm o r et h a n 9 9 9 5 t h ec o a t i n gp a s st h ee n v i r o n m e n t a lt e s t i n g ，i tc a nw o r ko nt h eh a r s hs p a c e e n v i r o n m e n ta n dr e s i s tt h el a s e ri r r a d i a t i o n t h ef i l ms a t i s f i e st h eu s i n gr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：o p t i c a lt h i n f i l m ，h i g hr e f l e c t a n c ef i l m ，l a s e r - i n d u c e dd a m a g e ，d e p o l a r i z a t i o n 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 薄膜光学的发展1 1 2 激光薄膜的应用2 1 3 论文研究的主要内容一2 第二章光学薄膜的理论基础3 2 1 单层介质薄膜的反射率：3 2 2 多层介质薄膜的反射率7 2 3 低损耗的激光反射镜设计9 2 4 薄膜的消偏振技术1 2 第三章膜系设计15 3 1 膜料选择15 3 2 膜系设计1 6 第四章镀制工艺2 4 4 1 镀膜机原理及配置2 4 4 2 镀膜工艺2 6 第五章测试结果与分析31 5 1 光谱性能测试与分析3 1 5 2 抗损伤阈值测试与分析3 1 5 3 高反膜的机械强度测试3 4 5 4 高反膜的误差分析3 4 总结3 5 致谢3 6 参考文献一3 7 第一章绪论弗一早珀比 1 1 薄膜光学的发展【1 1 1 】 光学薄膜是现代光学仪器的重要组成部分。薄膜是一种以光的干涉作为基础的特 殊的物质形态，它的光谱范围涉及到可见光区、远红外和软x 射线区，可以制备出多 种薄膜，如增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、截止膜、带通滤光片等。被相应使用 在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料表面上来实现预期的光学性能。光学 薄膜具有良好的牢固性和光学稳定性，制作方便，成本相对来说比较低，使它在各类 光学系统中被应用并普及。 薄膜光学从1 7 世纪“牛顿环的发现开始，真正起步是夫琅和菲( f r a u n h o f e r ) 在1 8 1 7 年用酸蚀法在世界上制得第一批增透和法布里一珀珞( f a b r y p e r o t ) 1 8 9 9 年 制得的窄带滤光片才算是它的真正起步。 1 9 0 0 年，薄膜开始以敷层的形式应用在光学上。那时发现，光亮透镜的可透性不 如“晦暗”的透镜，这就是由光的干涉引起的现象。从厚度大约等于光波长的透明薄 膜上、下表面反射的光会互相干涉，这个原理可以解释为肥皂泡和在水面扩散的油膜 带有漂亮颜色的现象。实际上，最简单的光学薄膜就是上面所述的薄膜，从伯劳治特 将脂肪酸的单分子层涂在玻璃上获得成功后，才开始把它作成任意厚度。膜厚与反射 率的关系与理论计算，被伯劳治特第一次进行了比较讨论。 低折射率的坚固膜层被斯特朗用真空蒸发技术于1 9 3 6 年制作而成。在当时的光学 领域，这种实用的防反射敷层的用途是：能够减少由于光学元件表面的多次反射而导致 的杂光和幻象：避免光的损耗：飞机仪表表面上的天空反射也能被它清除。从这以后， 干涉薄膜的研究和实用化得到了快速而迅捷的发展。 光学薄膜在进入二十世纪四五十年代开始应用。由于采用真空蒸发和真空溅射在 工业上制备光学薄膜成为最主要的工艺，因此二十世纪初对真空泵的改造，油扩散泵 一机械泵真空抽气系统的出现尤为重要，并使它们普及应用，是该领域所取得的伟大 的成就。 从7 0 年代开始，光学薄膜制造工艺的新动力来自于对等离子化学气相淀积和离子 辅助沉积的新技术研究和应用开始。现在，从理论、计算、设计到测量及工艺，光学 薄膜技术已经形成全面的体系，在日常生活、工业、建筑、农业、医疗、交通运输、 军事、宇航及空间技术等领域被普及和使用。 在7 0 年代初，我国的薄膜事业已有少数企业开始镀制一些简单的单层氟化镁增透 膜。8 0 年代中期，眼镜行业的迅速发展，推动着镀膜事业的产业化发展。 现在，薄膜技术己成为一门综合性的应用科学。该领域正处于快速发展的阶段， 但产业规模和水平有待于继续提高。在一些发达国家，薄膜技术已经被全方位推广应 用，除了发展集成光学薄膜、集成电路薄膜、液晶显示膜、磁盘外，还大量生产了刀 具硬质膜、塑料金属化膜制品、建筑玻璃膜制品、各种装饰膜和卷镀薄膜，很多产品 已经形成相当大的生产规模。可以预见，一个门类齐全的薄膜产业必将很快发展起来。 1 2 激光薄膜的应用【1 2 2 0 】 随着激光技术的飞速发展，半导体激光器和y a g 激光器的应用越来越广泛。在激 光系统中，具有多功能的单一光学元件正逐步展现出高集成、低成本的优点，尤其是 在不同的工作波段要求具有相同的高反射光谱性能的光学元件，因此对研究光学元件 上的薄膜特性有较高的要求。而光学薄膜的激光损伤是限制高功率激光器激光能量输 出的关键因素，国内外对提高薄膜激光损伤阂值的方法进行了多方面的研究。据所查 资料，设计高性能的激光反射膜需要满足以下条件：( 1 ) 选取高低折射率差值大的材料 组合，减少膜层厚度，降低制备难度和生产成本：( 2 ) 从激光对薄膜的破坏角度来说，膜 层材料应具有高的抗激光损伤阈值。 激光对光学元件的损害制约着光学元件的使用，并关系着激光器的使用寿命。在 强光源作用下，提高抗激光损伤阈值和降低光学损耗是高功率激光对薄膜的最基本要 求。为此，研究光学薄膜的强激光损伤机理、提高其抗激光强度、不断改进镀制薄膜 的工艺和激光系统，并拓展它在科研和生产领域的应用成为了迫切的工作。 1 3 论文研究的主要内容 在高功率激光系统中，薄膜的光学损耗和激光损伤阈值影响着激光器的设计、制 造和使用，对反射率为r 9 9 9 5 的抗激光损伤薄膜透镜的研发，已成为目前研究激光 薄膜技术的前端课题。 本文针对半导体激光器和y a g 激光器对薄膜的特殊要求，具体研究内容如下： ( 1 ) 根据周期性多层介质高反射膜的理论，选取合适的薄膜材料，采用矩阵法 进行膜系设计；膜系应满足：在9 0 0 n m 1 l o o n m 宽波段内高反；当激光以 4 5 。角入射时，该薄膜反射率达到r 9 9 9 5 ，同时消偏振。 ( 2 ) 解决薄膜光学损耗和损伤阈值问题，优化工艺参数，如离子源的束流密度， 功率、气体的流量，真空室内的压力、温度、材料的蒸发速率等。 ( 3 ) 在表面积为1 0 1 8 m m 的k 9 基底上镀制的高反射薄膜，解决膜层的内应力、 牢固度及机械强度等问题。 ( 4 ) 解决膜厚控制精度的问题。由于高反射膜的层数多，累积的厚度误差较大， 波长容易漂移，所以在制备过程中，必须严格控制膜层的厚度。 2 第二章光学薄膜的理论基础1 2 2 】 2 1 单层介质薄膜的反射率 讨论了平面电磁波在单一介面上存在着反射率和折射率。在界面上应用边界条件 刁1 e l2 刁。e j 一7 7 。e o = h o ( 2 1 ) e 1 = e ：+ e o = e o 因为应用边界条件写出的p 一分量和s 一分量的等式形式是相同的，所以不再分别p 一分 量和s 一分量的情形。 在光学上，处于两个均匀介质之间的薄膜性质特别重要，我们假定，所有媒质都 是非磁性的( u ，= 1 ) 。 e 0 +e 0 一n 。 砜一善一 一旷 如2 - 1 图所示，一个等效界面可以在数学理论上表示单层薄膜的两个晃面。膜层和基 片组合的导纳是y ，由( 2 1 ) 可以得出膜层和基底组合导纳y = h 。b 式中h o = h ；+ h i ，e o = e j + e i o 则单层膜的反射系数为，= 0 7 。一y ) ( 吼+ y ) 只要确定了组合导纳】，就可以方便地计算单层膜的反射和透射特性。下面既是 在界面1 ，应用e 和h 切向分量在界面侧连续的边界条件写出： e o = e o + + e o 一= e 1 l + + e 1 1 一 界面2 ，具有相同坐标的点，改变波的位相因子，从而得到它们在同一瞬间的状况。 正向行进的波，其位相因子应乘以p “最；而负向行进的波，其位相因子应乘以e i 而，其 中 即 e 一+ e e 叫6 1 e 1 2 - = e , i - e 1 61 所以 e o = e 1 2 + e 1 6 1 + e , z - e 一6 1 h o = n1 e 6 1 e 1 2 + 一nl e 一16 1 e 1 2 一 以矩阵的形式写成 鼢暴雌 浯2 ， 基片中没有负向行进的波，在界面2 应用边界条件就可以写为 e 2 = e 1 2 十+ e 1 2 一 h 2 = r 1l e l 2 十一t 11 e 1 2 一 ( 2 3 ) 因此 e 1 2 + = e 2 2 + h 2 2t 1l e 1 2 - = e ：2 一h 。2r 1 。 ( 2 - 4 ) 写成矩阵形式为 鼢锻掘糊 5 ， 得 阱( 荔一剖- 1 2 2 7 7 1 r h 阍h 2 6 ， = f ，i i r c 1 。s s i n 4 s , 趣协c 0 4 ss 7 。玩) 主儿b j 因为e 和h 的切向分量在晃面两侧是连续的，而且在基片中仅有一正向行进的波， 所以( 2 - 2 7 ) 把入射界面的e 和h 的切向分量与透过最后界面的e 和h 的切向分量联 系起来，又因为 h o = y e o h 2 = 1 l2 e 2 于是( 2 - 2 7 ) 可以写成 扇 ( ；编c o s s ；n s l 4 s i c n 。4 s 匹仍 去 岛 c 2 7 ， 令 烈i r 高li 趣裂仇心 8 ， 【- c j 2 sn 4 c o s 磊 j 【_ 7 7 2 j 。z 一石 4 ( 2 - 9 ) 称为薄膜的特征矩阵。它包含了薄膜全部有用的参数。其中4 ：_ 2 7 确4c 。s b ；对p 一 分量，r l 。= n 。c o s01 ，而对s 一分量，t ll = n l c o s0l 。 矩阵( 尝 定义为基片和薄膜组合的特征矩阵。显然，由 y = c b 得 】，：翌2 竺旦! 垒! 望! ! ! 呈垒 ( 2 1 0 ) c o s s l + i ( r h r 1 ) s i n s l 故振幅反射系数为 能量反射率为 ，= ，死一y ，卵。+ y 2 丢凳 三r 丝h 号! c o 竺羔s6卓，_：l芸凳翌rh生糕r1 r l s i n ( 7 7 0 +) + z ( 7 7 0 + ) d 1 r ：，节：亟l 蝎型垩盟丛堑丑警 ( 7 7 0 + r 2 ) 2c o s 2 区+ ( 7 7 0 r h r l + 7 7 1 ) 2s i n 24 首先应注意，当上式中的万。换成艿。+ 万，即当d l 换成d 。+ d ，其中 m ：鱼一 2 n lc o s s l 时，表达式不变。因此，厚度上差五。2 朋c o s0 ，整数倍的那些介质膜，它们的反射率 ( 和透射率) 是一样的。 其次，来确定反射率为极值时膜的光学厚度。如果- 1 = 彤仍 艄日= 怒似= o ，1 ，2 ) 时塑：0 d h 必须区分两种情况： ( 1 ) m 是奇数，即日值是下列数值中任意一个 h = a o 4 c o s o l ，3 a o 4 c o s 0 1 ，5 a o 4 c o s o l ，。 、， 纪， 州晒 n s 磊嗡 宝幽 c 研 ， 、 这时，c o s g l = 0 ( 2 5 ) 式化为： 特别是在正入射时： 肛i 2 r o r 2r l l - ) 2 尺= n o n ：- n 1 21 n n n 2 ( 2 ) m 是偶数，即日值是下列数值中任何一个 h = a o 2 c o s 0 1 ，日= 2 2 0 2 c o s 8 l ，h = 3 2 0 2 c o s 8 , ， 这时，s i n 8 l = 0 ( 2 5 ) 式化为： 特别是在正入射时，此式变成： r - ( 罴；7 0r h ) 2l + j 尺_ ( 糕 2 由上式可以看出，当膜的光学厚度取1 4 的奇数倍，反射率是极大值或是极小值 取决于薄膜的折射率是大于还是小于基片的折射率而定。当膜的光学厚度取1 2 的整 数倍时，反射率为未镀膜时基片本身的反射率，同样取决去基片的折射率。这些结果 如图2 3 所示。利用不同材料相组合的薄膜，可减少或增加光学元件表面的反射。若 以多种薄膜适当组合，则在光学性能上将显现出多样的光学特性。反射率随薄膜折射 率变化的曲线，如图2 4 所示。 图2 3 单层介质膜的反射率随光学厚度的变化关系 6 图2 4 反射率随溥膜折射率的变化 2 2 多层介质薄膜的反射率 上面对单层薄膜的讨论可以扩展到对多层膜的研究。在任意的光学多层膜中，无论 是介质薄膜或是金属薄膜组合，都可以用一个虚拟的等效界面代替，而且等效界面的 导纳 y = h o 民 对单层膜的讨论里，在界面1 和2 应用边界条件可以得到 e o 7 i o日ojt,e,7,0ssin4s 墨7 7 1 糊 【_c o s 点儿只：j 在界面2 和3 ，同样可以得到 f s i n s , r i 2 7 i f 3 ， 3j(2-12)cos82l - , 重复上面的过程，直到在晃面n 和n + i 应用边界条件得到 商n 氓 & + ( 2 砌) c o s & 儿圾+ 。j 因为各界面的切向分量连续，所以： 鼢鼢鼢斟 瓮慨 经过多次重复的线性变换，最后得到矩阵方程式： 嘎鸣 吣甄 c 仇 ， 、r_1 2 2巨甄 l 艮哦哪啦 ， 、嚣 厂f1 k 引2 珥 锄列 协 舯巴- - s m ， 对p 一偏振波和s 一偏振波，膜层的位相厚度都是 6 j = 堡n j d jc o s o j 折射角q 由折射定律所确定。导纳乃由下式给出 驴慨嚣啪胱s 懈光 矩阵 l c o s 8 1 f l i 7 1s i n d l 称为第j 层膜的特征矩阵。无吸收的介质薄膜的特征矩阵的一般形式可写成 m ：f 1 i v m 2 1 m 2 21 式中m 。和m 2 。是实数，而且i l l 。= m 2 ：，而m ：。和m 。为纯虚数，此外其行列式值等于1 ，称为 单位模矩阵，即 1 1 1 1 1 m 2 2 - - i l l l 棚2 l = 1 而且任意多个这样的矩阵乘积的行列式值也等于1 。 对于一个1 4 波长层，即有效光学厚度为某一参考波长的1 4 的薄膜，在该参考 波长处特征矩阵有 肚( r ) 而半波长层则有 ， 4 万 n s 如 啷 班 一 一 一、， 矽 叫晒 m s 1 1 m = i ( 0 可见半波长层在此参考波长处对薄膜系统的特性没有任何影响，故称为“虚设层”。 显然，多层膜和基片的组合导纳为y = c b 。 反射位相变化 r = 召一c b c 】 吼b c b c 】 丁一 兰翌q 翌整1 1 ( 7 7 0 b + c ) ( r l o b + c ) 币f 氓一b c + 扯绷留l翳ro b b| 。 一【一l - j 式中r 1 。是入射介质的导纳。 上述表达式证明了薄膜系统的不变性，即当薄膜系统的所有折射率( 包括入射介 质，所有膜层和基片) 都乘以一个相同的常数，其反射率，透射率和反射相位没有任 何变化。而当薄膜系统的所有折射率用它们的倒数代替时，反射率和透射率没有改变， 但是反射位相有一的变化 2 3 低损耗的激光反射镜设计n e 仃t 1 8 _ 饥2 文2 7 3 0 - 3 2 3 激光是一束强光源，当照射在一个平面上时，会聚为一点的激光可以摧毁一切。镀 有薄膜的光学元件在激光器中起着主导作用，薄膜损伤阈值的大小限制着激光高功率 输出的大小。但在制各薄膜的过程中，薄膜的吸收和散射影响着薄膜的光学性能，从 而导致薄膜损伤，所以要提高薄膜的损伤阈值就要先解决薄膜的光学损耗。 ( 1 ) 反射镜中的驻波场分布 反射镜中各层薄膜的吸收、散射损耗都与光强度在各层薄膜内的分布密切相关。 当反射镜中入射波和反射波沿相反方向传播时，叠加后形成驻波场。 各层膜的电场强度是利用菲涅尔矩阵法推导得出的： s e 歹；1 j = ( 1 - r ，i x 墨1 兰j ； ：_ 五：j 孑了 三二二一吩。乙z j 吩。1 三二p 。磊：p 1 磊 _ 一 1 j l e e j j l 。2 一芎) ( 1 一亏) 卜_ p 1 冬1p 哆。j 【- 一1 p “磊 p 晒 卜_j 贼e 水阱击，e ；l2 毒阱 阱i g i _ 石t 3 阱阱阱志酬 电场强度与吸收损耗和散射损耗成正比。电场强度越大，吸收损耗和散射损耗就越 9 大。在设计中尽量降低电场强度，以减小损耗。有两种方法降低电场强度： a ：与空气相邻的第一层膜应选择折射率高的材料，使反射镜中的第一个驻波波腹 降低。 b ：由于相邻波腹的振幅的因子n l n 。几何递减，所以两种材料的折射率比值应适当 地选择得大一些。 l hlh lhl f 髫 、钐 一、 ，、 、 ( a ) 反射镜中驻波场 i hlhlhlh ，i 1 八 厂 、 、 、。夕 ( b ) 高低折射率比值较大的驻波场 ( 2 ) 反射镜中的吸收损耗 介质薄膜在透明区域被认为是没有吸收的，因为吸收小得可以忽略不计，而在激 光反射镜中，一点吸收都会影响到薄膜的损伤阈值。 在一个层数为k 的多层介质反射膜中，起势透射率为： kx 纵= n 仍= 兀( 1 - a 缈，) 令9 x = 1 9 k 则吸收膜近似为：纨a c , o s j = l l o 的。 所以多层膜的吸收可以表示为彳= ( 1 一r ) a 9 0 j a 和r 分别是k 层膜的吸收率和反射率。 反射镜通常是由光学厚度为厶4 的高折射率和低折射率两种材料交替镀制而成 瓜2 万鑫( k n + k l ) ，z 吾一，z ： 展开后：a 孕( + k l ) i1 + ( 丝) ：+ ( 旦) + + ( 丝) 川i 刀蚤 l 刀刀行 j 由上两式可以得出结论：在镀制相同材料的相邻膜层，其吸收率以( n l n 。) 2 递减， 随着层数的增加，吸收损耗的值达到极限。 当镀制的反射镜为偶数层时，而且邻近空气的第一层为n l ，则吸收率为： 肚型y o 筹挚n 2吾一 ， 从以上对最外层为低折射率层的奇数层或偶数层的吸收率公式中得出结论：偶数 层反射镜比奇数层反射镜的吸收损耗大。 ( 3 ) 反射镜中的散射损耗 散射由薄膜的成核和生长机理引起膜层结构的不均匀性而产生的，散射损耗分为： 体积散射和表面散射。 a ：体积散射是薄膜结构的不完善所引起的。利用电子显微镜观察薄膜断面的微观 结构，发现所有真空蒸发的薄膜都有明显的柱状结构，使薄膜表面凹凸不平。 ( 圮) = 挈( b + 吒) n ；一，z ： “ b ：表面散射由基片表面的粗糙度及其表面缺陷决定的。 ( s s l ) ：3 2 万2n o ( n 月一刀) 2 ( 孚) l1 + ( 旦) 2 + ( 旦) + ( 旦) 纠i 以 l 刀日行刀何 j 对上式求和：( s s l ) = 3 2 万2 n o g h ( 堡也) ( 导) z ，2 日十门上 o - 一表面在垂直方向上偏离平均高度的不规则程度 从上两式可以看出，两种材料的折射率差值是影响表面损耗的重要因素，差值越 大，则界面的反射损耗就越大。 综合考虑，应适当选择两种折射率差值较大的薄膜材料进行镀制。 反射镜的总损耗l = v l + s s l ( 4 ) 低损耗反射镜的设计 由于高低折射率材料的消光系数比是1 2 个数量级，在设计膜系时，应考虑适当 的调整膜层厚度。根据驻波场的强度分布，减少最外面的膜层厚度可以避免层数过多 的顾虑。 要设计一个加在厶4 膜堆外面的附加膜堆厚度，首先确定附加在反射镜上的低折 射率膜层厚度，在反射镜相邻界面上，电矢量振幅的递推公式为： 一1 + p e x p ( i 2 d j ) 一 l z ，= l z ， 。 ( 1 + p ) e x p ( i f i j ) 广1 其中p 为j - 1 界面上的振幅反射系数 万，是j - 1 和j 两个界面之间的位相厚度 6 j = _ 2 7 1 n j d j 得到附加低折射率膜层的位相厚度表达式： e o s 2 0 = p ( 1 一p ) 2 + ( 1 一r p ) ( p r ) c o s 2 , 罗 p o 一厂) 2 上式说明附加的低折射率膜层的位相厚度应是9 0 。 目 1 8 0 。，即厚度超过一个 1 4 波长。 接着计算在低折射率膜层之上附加的高反射率膜层厚度，可近似表示为： p e x p ( 一2 i 0 1 = “+ i v 满足万相移所需的高折射率层的厚度 卿= 而寒赫 在反射镜上附加了新膜堆后，其振幅反射系数用下式确定： p 2 一b + 尚( b 2 4 彳c ) 1 ，2 2 a 上述方法适用于高低折射率材料比值大的膜系设计，否则，非但不能有效地抑制 损耗，反而会引起折射率变化。 2 4 薄膜的消偏振技术 光倾斜入射，穿过每一层光学薄膜时，边界条件要求电场和磁场的切向分量始终保 持连续，使光的p 分量和s 分量表现出不同的有效折射率，引起偏振分离。激光倾斜入射 在各种光学薄膜上都会产生偏振效应，偏振分离影响光学系统性能，产生本质劣变，必须 1 2 消除或减少。理想的消偏振膜应该没有吸收，且使s 偏振光与p 偏振光有相同的反射率 透射率特性【1 2 , 1 6 , 2 0 。 ( 1 ) 消偏振的入射介质、膜层和基片组合 折射率为n 。的基片上镀有一层1 4 波长厚度的折射率n 。的膜层，则基片和膜层的 组合导纳为y = n 1 2 n 。，他们的偏振分离为： a y = 巧珐= ( a n l ) 2 a n 2 若(anl)2 a n 譬 则有效基片将没有偏振分离。 当入射介质是空气时，要得到一个消偏振介质，需要一个1 4 波长厚度的膜层作为 空气一侧的匹配层。 这种相互匹配的薄膜系统，从理论上可以排除偏振效应。 ( 2 ) 消偏振的1 4 波堆 偶数2 k 层1 4 波堆的组合导纳为y = c b = 7 7 沏；r 1 2 k 一。r l 。( 7 7 ；7 7 ；7 7 矗) ，其中 x ：f 堡堡翌尘二丝童一。 fr l g r l l r l 3 r 1 2 k 一1 奇数2 k + l 层1 4 波堆的组合导纳为y = c b = 7 知；刁矗“( 叩暑2 7 7 ：2 7 7 ；7 刍) ，其中 x = 厩嚣老。 丁= 赤 则存 r 兰 不论是偶数层还是奇数层的1 4 波堆( 包括基片和入射介质) 的反射率和透射率都有 相同的表达式，只是知识表达式中的x 含义不同。 若要使整个组合无偏振效应，必须使p 一偏振和s 一偏振的x 项相等，即x ( p = x ( s ) ，从而 f p ) = 下8 和r ( p ) = r ( 引。对于偶数层，为使x ( p ：x ( 5 ，即： 7 7 ；户r i p ) 7 7 j p 7 7 i 7 7 j ”刁! 神7 7 j “7 1 秽刁：们7 7 弘7 7 2 。1 7 7 7 7 - _ _ _ - - _ 一 也即各介质的偏振分离之间须满足如下关系：，拿坠 生等毕：l 同样，对于奇数层有：0 五硒：a n 。a n ：。- - a n ，a n ，a n ：川 可以看出上两式是在中心波长处入4 膜堆无偏振效应的条件。当把奇数层的奇数 位置和偶数层在偶数位置互易时，中心波长的反射率和偏振并不改变，但离开中心波 长就会有所变化。利用这一事实来加宽消偏振的波长区域。 1 4 第三章膜系设计 3 1 膜料选择 薄膜材料的光学性质将直接影响薄膜的光谱性能，尤其是用于近红外激光系统， 薄膜材料的折射率和色散对于偏振光的光谱影响明显，而薄膜材料的微观结构组成和 机械性能对于激光的抗损伤阈值起决定作用。因此，材料的选则是抗损伤阈值薄膜的 先决条件。如果想获得具有高的抗损伤阈值的高反射膜，对于材料的性质具有如下要 求：a 在设计波长具有高度的透明性，即要求材料折射率的消光系数尽可能的小；b 在满足条件a 的前题下，要求材料具有适当的光学常数( 折射率) ，即所选的两种膜材 的折射率的差值尽可能大；c 要求选择的膜料具有稳定的物理化学性质，良好的机械 强度和均匀的应力状态；d 要求选取的膜料本身具有高的抗激光损伤阈值。 在可见和近红外波段有以下几种常用的激光反射膜材料： 表3 1 几种抗激光损伤材料2 2 2 3 3 高折射率材料低折射率材料 材料折射率透光波长范围( 朋)材料折射率 透光波长范围( 2 m ) t a 2 0 5 2 1 2 2 5o 3 1 0 m g f 2 1 3 82 - 7 z r 0 2 1 9 - 2 10 3 - 7 s i o ： 1 4 60 2 - 2 t i o 。 2 2 - 3 00 4 1 2 ( 1 ) t a ：0 。和z r o ：都是具有较高的折射率的薄膜材料，机械性能极其牢固，抗强碱腐蚀。 t a 。0 。可以作为保护涂层，特别是在高温环境中的应用。但在沉积过程中它们都容易形 成大的颗粒或造成结构的不均匀，致使膜层的粗糙度增大，膜层的吸收和散射损耗也 随之增大，对抗激光性能不利，随着膜层的加厚，折射率也会降低； ( 2 ) t i o 。薄膜的折射率高，膜层在电子枪加热蒸发过程中极易分解，生成低价氧化物， 使所成薄膜的吸收增大，但在高温充氧条件下，可减少吸收，膜层牢固稳定，在可见 和近红外区透明。 ( 3 ) m g f 。的机械性能不稳定，膜的硬度、耐久性及密度随基板的温度的改变而改变的。 在室温中蒸镀，m g f ：具有张应力特性，与高折射率材料的应力特性不匹配，在多层膜 的制各中容易引起脱膜； ( 4 ) s i o 。是一种分解很小的氧化物材料，它的s i o ：分子形式可以充实其他材料造成的 薄膜表面缺陷，改变多层膜表面的微观形态，提高激光破坏阈值，光吸收很小，牢固 性好，且抗磨耐腐蚀，起到保护作用。 比较以上这几种高低折射率材料，它们在性能上都有各自的优缺点，考虑机械性 能和化学性能的稳定性，选择t i o 。s i o ：作为制备高反射膜的材料。 3 2 膜系设计 通过对于多层介质薄膜的计算与分析，高反射膜可采用周期膜系进行设计，即对 于选定的中心波长五为设计的参照标准，依次采用四分之一波长的光学厚度为标准， 交替排列高、低折射率的两种材料，最终形成的五4 高反膜系。 对于9 0 0 n m 1 1 0 0 n m 宽带抗激光损伤高反膜，除了要满足光谱性能之外，还要选 取的材料相互匹配较好，并且材料本身具有较高的抗损伤阈值。根据常用的材料进行 膜系设计，设计方案如下： l 、不同折射率配比的膜系设计 a 、首先选择z y 0 2 作为高折射率材料( n h ) ，s i 0 2 为低折射率材料( n l ) ，采用2 4 的周期高反膜系( ( 3 1 1 ( h l ) h a ) ，得到设计曲线如图3 1 所示： ， ，一、 、 l f | ， 。、 ll |1 | 1 vv | 图3 1z r 0 2 、s i 0 2 设计的反射膜曲线 从设计曲线中，可清楚的看到，采用z r 0 2 、s i 0 2 制备高反膜，仅通过一个反射板 是无法满足设计要求的截止带宽，即9 0 0 n m 9 2 0 n m 和10 8 0 n m 110 0 n m 波段反射率小 于9 9 9 5 。如果采用多个反射板，虽然可以得到设计所需的反射光谱宽度，但是极大 的增加膜层的数目，这将增大层间散射，减小膜层的抗损伤阂值。 b 、由于选用z r 0 2 、s i 0 2 不易满足反射光谱设计要求，所以，选择z r 0 2 作为高折 射率材料( n i l ) ，m g f 2 为低折射率材料( n l ) ，采用彳4 的周期高反膜系，得到设计曲 线如图3 2 所示： 1 6 i旷 j ，一 、 、 | | l il 1 厂、一 厂、 l从，。|。 llt 付。 l nuf ；3 | 图3 2z r 0 2 、m g f 2 ( s i 0 2 ) 设计的反射膜曲线 由图可知，采用m g f 2 与z r 0 2 组合设计反射膜光谱曲线( 图中绿色曲线) 得到明 显的展宽，但是采用m g f 2 制备高反膜，由于层数较多，总体厚度较大，易产生大的应 力分布，形成龟裂，形成大量的裂纹，这将大大降低薄膜的抗损伤阂值。对于z r 0 2 尽 管其具有较高的损伤阈值，但是由于z r 0 2 的光学性能随着膜层厚度的增加而发生变化， 这将使实际的谱线与设计曲线有较大的差异。所以，该设计虽然光谱曲线满足但并不 合格。 c 、由于z r 0 2 所具有前面所述的缺点，所以选择t a 2 05 作为高折射率材料( n i l ) ， s i 0 2 为低折射率材料( n l ) ，采用五4 的周期高反膜系( g 1 1 ( h l ) h a ) ，得到设计曲 线如图3 3 所示： 厂。 、 。| i 厂一 l | 、 八 fj 1 v3v 满足设计要求，即9 0 0 r i m 9 1 5 r i m 和1 0 8 5 n m 1 1 0 0 r i m 波段反射率小于9 9 9 5 。如果采 用多个反射板，虽然可以得到设计所需的反射光谱宽度，但是极大的增加膜层的数目， 这将增大层间散射，减小膜层的抗损伤阈值。 d 、由于选用t a 2 0 5 、s i 0 2 不易满足反射光谱设计要求，所以，选择t a 2 0 5 作为 高折射率材料( n i l ) ，m g f 2 为低折射率材料( n l ) ，采用2 4 的周期高反膜系，得到设 计曲线如图3 4 所示： 图3 4 t a 2 0 5 、m g f 2 设计的反射膜曲线 由图可知，采用m g f 2 与t a 2 0 5 组合设计反射膜光谱曲线( 图中绿色曲线) 得到 明显的展宽，但是采用m g f 2 制备高反膜，同样曲于层数较多，总体厚度较大，易产生 大的应力分布，形成龟裂，形成大量的裂纹，这将大大降低薄膜的抗损伤阈值。所以， 该设计虽然光谱曲线满足但并不合格。 e 、无论采用z r 0 2 还是t a 2 0 5 为高折射率材料，与具有高损伤阈值，化学 性质稳定，粘附性好且应力分布均匀的低折射率材料s i 0 2 相匹配，其折射率 均偏低。所以选择t i 0 2 作为高折射率材料( n h ) ，s i 0 2 为低折射率材料( n l ) ，采用五4 的周期高反膜系( ( 3 11 ( h l ) h a ) ，得到设计曲线如图3 5 所示： 厂r 、 f | r、 | f| 1 莎 图3 5t i 0 2 、s i 0 2 设计的反射膜曲线 由图可知，选取这两种材料制备高反射膜，其反射光谱性能可满足设计要求，但 是t i 0 2 容易失氧，从而产生吸收，使得损伤阈值降低，唯一可以改善的是 调整蒸发工艺，可以提高其损伤阈值。 从膜系结构来分析，这三种设计反射率曲线如图3 6 所示。 图3 6 三种高折射率材料与s i 0 2 设计的反射膜曲线 高反射膜的截止带宽度和带内反射率都与所选择的材料折射率比值有关，由一系 列的膜系设计曲线图可以明显的看出折射率比越大，反射率越高，反射带越宽。相同 层数条件下，折射率比值越大，带内的反射率越高，因此，要想实现宽带高反射膜系， 就应该选取折射率比值大的高低折射率薄膜材料。 从图3 6 中可以看出t i 0 2 与s i 0 2 组合的光谱曲线( 绿色曲线) 具有最宽的反射带 宽，总体考虑选择t i 0 2 、s i 0 2 更为合理。 2 、提高抗损伤阈值的方法 a 、膜层厚度对抗损伤阈值的影响 制备高反膜系时，每一层的膜厚控制不可能均达到设计波长的四分之一的光学厚 度，因此会产生误差，这种误差的分布是无规律的，是不可测量也不可避免的。如果 要实现宽带高反，就需要增加膜厚以展宽反射带，以达到所需要的反射率。从前面理 论分析可以看出，当反射膜系的层数足够多时，其反射率越接近1 0 0 。可是实际上并 非如此，一方面膜系的层数不可能无限多的，这样就无法进行计算，另个，随着层数 的增加，整个膜系内的界面数也成比例的增加，当界面层数较少时，由于每一个界面 上的吸收和散射损耗很小，所以此时总的界面损耗可忽略不计，但是，当层数很多时， 这种累加所造成的损耗就相应的增大，从而使得整个膜系的抗损伤阈值大幅度降低。 对于整个膜层而言，如果膜层太厚，其粘附性和机械强度降低，膜层内的应力也会随 着层数的增加而放大，因此在设计膜系时，整体膜度不能太厚，即层数不能太多。 1 9 - 瓣 翟 锚 入射角o 图3 7 膜系有无吸收的比较图 图3 7 表示膜系选择材料在无吸收和有吸收时的光谱曲线的变化，显而易见，当所 选择的材料存在着的微弱吸收时，整个光谱反射曲线就会明显降低。所以如果考虑到 材料的吸收，也应该减少总的吸收，由于每个界面的吸收是一个很小的可以忽略的值， 因此界面过多时，当微小的量的累加为一个较明显的值时，它将严重的影响光谱曲线， 所以，设计膜系时层数应尽可能的少。 b 、过渡层对抗损伤阈值的影响 在基底的表面镀制的周期膜系，当激光照射表面时，内层的四分之一层会分布较 高的能量，因此在设计时应考虑它所带来的影响，在设计的初始阶段，在膜层的内侧 与基底之间先镀制一层保护层，即先镀一层二分之一波长光学厚度的s i 0 2 或a 1 2 0 3 。 图3 8 添加内保护层的光谱曲线比较图 从图中可以清楚的看出，增加了内保护层( 无论是s i 0 2 还是a 1 2 0 3 保护层) 后的 光谱曲线与原来未增加保护层的周期高反膜系的光谱曲线差异小，也就是说内保护层 的添加在提高抗损伤阈值的前提下并未改变设计结果，设计方案理论上可行。 c 、外保护层对抗损伤阈值的影响 当激光照射镀有高反膜的基底时，外层的四分之一层高折射率材料膜层具有极大 2 0 的电场分布，因此在设计时应考虑它所带来的影响。设计时，在膜系的最外层高折射 率材料表面先镀制一层保护层，即先镀一层二分之一波长光学厚度的s i 0 2