光学薄膜及其应用

1、Siam中国口学上海光光学薄膜及其应用范正修2006年10月26日主要内容薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用光学薄膜的激光损伤主要内容光学薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用激光对光学薄膜的破坏薄膜概况研究领域薄膜物理薄膜化学薄膜材料薄膜力学应用领域光学薄膜电学薄膜半导体薄膜磁性薄膜生物薄膜薄膜光学形成发展历史 17世纪中期，“牛顿环”现象的发现(Robert Boyle and Robert Hooke) 1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 1816 Fresnel发现了光波偏振特性，结合Yong干涉理 论及Huygens的子波传播理论形成

2、了光波衍射理论 1817 Fraunhofer成了第一块减反薄膜1873 Maxwell提出了Maxwell方程(ATreatiseon Electricity and Magnetism)7 1886 Rayleigh 证实了Fresnel反射定律 1899 Fabry-Perot 干涉仪 1932 Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部 反射 1934 Bauer用卤化物制备了减反薄膜 1934 Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜 1939 Geffcken制备了金属一介质干涉滤光片光学薄膜概况薄膜特点干涉原理，相干相长与相干相消重要性 “有光就有膜涉及生活

3、方方面面，装饰膜等，投影系统，光学系统，大型激光装置等面临冋题涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉 积扌支术少，沉积过程控刹水平不高等；主要内容薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用激光对光学薄膜的破坏光学薄膜一般性质理想光学薄膜光学薄膜吸收及散射折射率不均匀性和折射率渐变薄膜薄膜的各向异性和双折射薄膜薄膜的偏振和消偏振特性12薄膜的相位及位相薄膜等效折射率、等效导纳和等效界面薄膜的色散及色散补偿薄膜的应力及应力控制理想光学薄膜光学薄膜改变光束切向方向-薄膜波导改变光束法向方向-光学薄膜增透薄膜高反射薄膜薄膜波导15理想光

4、学薄膜薄膜光性计算方法等效界面法16等效界面法#等效界面法矩阵法等效界面法17竝_丄1 ro_丿01 一AJ薄膜内部的电场关系：E：严 +E閔=E；+E；矩阵法界面的透射及反射系数：r_2oE _丄_o+nQ +nx第一个界面处的电场关系：_E；沪=畑； -n2E薄膜内部电场方向符号表示19依次类推: +匚0E匚0口广i=0矩阵法_严r严_a bEm+：r.eiSi ei5i_ _0 _c d0E；心氏+Eq aE； a设：c cx +ic2 q = % + ia2C2) + i(ac2 -a2c)二仏勺一色“)可以得到:.(a,Cj +a0贝U r= 22(QC + a2C2 )2 +(心-

5、学1)2。口 +勺心？T = i勺 +214光学薄膜吸收材料吸收共振吸收单光子吸收自由电子吸收杂质吸收色心吸收声子吸收多光子吸收光学薄膜吸收折射率由实数变为复数：n hn-ik 折射角由实数变为复数：jjj等效导纳由实数变为复数；反射系数和透射系数膜层厚度引起的位相差A光学薄膜吸收反射系数透射系数冬 _ （ft。-叫）-i（k -k）i （o+i）T（Ro+ki）冬 2（心-）S （弘+殆-:佩+灯光学薄膜的缺陷破坏杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个 过程从缺陷内部发生，在缺陷迅速升温到数千度的高温 时，杂质材料急剧气化并形成很大的内压强，这种爆炸 力向薄膜的外层发展，首先使膜层隆起

6、继而把膜层冲掉 形成破坑，并在破坑的周边形成波浪式力学波。杂质缺陷不仅是直接热源，而且还是非线性过程的薄弱环节，缺陷区域是初始电子易于发射的区域，这些in电子构成雪崩离化的初始电子从而大大降低薄膜的击穿 阈值。光学薄膜的缺陷破坏Temper st ire re n the nclusion ard tre ankient firnsTemperature re n the elusion rd tre atnkierrt flm合COHCOB BcococococogcosgcoBO2 丿 cq_ $ 利L 卫 8 5 4 22.3 1, y 一 Qw= n-sBQh1,0002.0CO3,0

7、004,COORaMial cocrcingte f nm5.0032,0003,000RaMbl coercing f nm5.0CO结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用结瘤缺陷是由于基体表面或薄膜内部存在某种种子源。薄膜在种子上继续沉积而形成的，它在薄膜内部形成一个锥体，在薄膜表面形成凸起，锥体 的形状和取向，凸起的高低与形态与种子源密切相关，也与沉积工艺和沉积条件有关。3jo pm结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用结瘤缺陷一个重要的作用就是改变激光在结瘤区 内及其周围的场分布，在薄膜吸收不变的条件下，激 光场的局部加强导致局部吸收增加，局部吸收增加导致局部温度上升，剧烈的温度梯度又导致薄膜内应力 的增加，

8、这种应力与薄膜儿何畸变引起的附加应力是形成薄膜破坏的重要因素。结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用激光场分布的畸变函盖了以下几方面因素薄膜膜层形变，引起结瘤内驻波场分布的变化结瘤与薄膜连接的部分严重的几何变形导致相关区域 激光场的分布变化凸起的结瘤形成一个微透镜，光照时会产生聚焦强区从薄膜的应力出发，薄膜在结瘤区由几何形变产生应 力，而激光作用下，由于巨大的温度梯度又产生热致 内应力，薄膜在激光作用下的应力发展应该是形变应 力与热致应力之和。光学薄膜非线性吸收及热力破坏雪崩击穿破坏多光子吸收破坏光学薄膜的热力破坏32雪崩击穿雪崩击穿的物理过程：由多光子离化的等多种过程。在薄膜内产生少量的初始电子，在被声

9、子散射延迟的激 光作用下，在导带中运动加速到阈值能量坷，迅速产生 光离化，从薄膜材料的价带中激发次级电子进入导带底 部，该电子交出相应的能量后，也下落到导带底部。位于 导带底部的电子再从激光中获取能量，如此周而复始使 电子密度雪崩式的增加，最终达到足够高的电子密度, 通过焦耳热摧毁晶格多光子吸收多光子吸收系数av,_ 2诚力（2傀）%匕0多光子跃迁速率WXexp 2 14m(d2EA丿光学薄膜的热力破坏热力过程可由热力耦合方程描述dT(rJ)dt2 亦g) | oPkCk1 +力加g)1-% dr片表示位移量，为热膨胀系数，Yr为泊松比光学薄膜的热力破坏热爆炸模型 誉=0.3(/代)(1-%)

10、线性热弹模型 =O.6(Ez/E/?)(l-Z/2)E为杨式模量，y为泊松比，i和h分别代表杂质和基质内破坏机制th芒=o.3(r)光学薄膜激光损伤测试技术激光损伤阈值测试规范IS011254-1.2 “Lasers and laser-related equipmentDetermination of laser induced damage threshold of optical surface55 (2000)“Laser induced damage threshold and certification procedures of optical materials55 NASA

11、reference publication 1395 (1997)结合多年的工作经验光学薄膜激光损伤测试技术其他要求（稳定性，监控等）聚焦系统光斑高斯直径11.25mm透镜口径是光斑尺寸的6倍透镜最小的f数为50激光输出能量较小时可适当的缩小光斑，但不得小于0.4mm损伤测试的重要概念损伤定义靶面光斑有效面积咼斯半径测试方法1 -on-15s-on-15r-on-15n-on-1损伤阈值的确定 50%损伤几率阈值 0%损伤几率阈值激光损伤阈值测试标准装置WaveplateSample holder其他测试方法 S-on-1基本与1-on-1相同维持恒定的能量密度重视功能上的意义，即用功能性损伤

12、阈值衡量 R-on-1能量以斜坡方式递增 预处理效果 N-on-1R-on-1方法的简化实验装置建立及参数测量光斑尺寸的测量相纸削波成像法刀口扫描法科学CCD成像法46激光薄膜光热测量表面热透镜技术的优点：大光斑探测光的引入而使表面热透镜技术更易于优化、调节信号， 测量的准确度和可重复率得到了提高，而同时保持了光热偏转方 法的灵敏度；通过使用CCD作为探测器件或使用针孔光电探测器可反演获得整 个表面变形区域的形状分布，通过对实验数据的数值拟合可得出 样品的光学、热学以及机械性能，通过高度聚焦抽运光，表面热透镜技术可以做径向分辨的样品吸 收图谱，这对研究强激光薄膜是十分有利的。修正的表面热透镜技术（背向反射式）有巨大的潜力获得高空间分辨 率，借助于近场光学技术，抽运光可以聚焦至纳米量级。激光薄膜光热测量Lens A: KPX082, f=5