黃光激光器聚光元件減反膜的研究

付秀華，麻曉丹，文大化

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 長春 130033）

激光技術一直以來是研究的熱點，由于黃光激光器在激光醫療、測量、顯示與照明、舞臺表演、城市觀景、國防、科研等方面有很廣泛的應用需求和應用前景，特別是589nm黃色激光與鈉原子D2吸收線相對應，因此在空間目標識別與探測方面也有著不可忽視的作用。

目前在國外，美國芝加哥大學與Caltech合作發展了8W腔外和頻589nm激光器。美空軍研究實驗室星火光學靶場利用LD抽運的全固態1064nm及1319nm激光器腔外和頻產生了50W連續589nm激光器。洛克希德·馬丁相干技術公司為Gemini South天文臺開發了基于LD抽運Nd：YAG激光器的功率為55W的589nm黃光激光器。在國內，2006年中國科學院長春光學精密機械與物理研究所用LD抽運Nd：YAG腔內和頻獲得860mW連續589nm激光輸出；2008年，固體激光技術國家重點實驗室以復合腔型腔內和頻獲得最高平均功率為10.5W，重復頻率是5kHz的589nm黃光激光器；2009年，魯燕華等報道了1.52W輸出功率的腔外和頻589nm黃光激光器，又報道了一臺平均功率3.09W，和頻效率大于35%的PPSLT晶體準相位匹配和頻鈉導星激光器。

589nm黃光激光器目前主要是通過1064nm和1319nm激光和頻而獲得［1-3］。黃光激光器光束整形系統中，聚光元件需要鍍制減反膜，該減反膜可以有效降低元件表面的反射率。據所查資料，目前激光器聚光元件減反膜的研究大多集中在355nm、532nm、1064nm等波段，589nm和1064nm雙波段透射還未見報道。

1 膜系設計

減反膜也稱為增透膜，指在所需要的波長范圍內降低元件表面的反射率，所采用的膜料本身的特性和設計的膜系是影響增透效果的主要因素。

1.1 基底和膜料的選擇

鋰鋁硅透明微晶玻璃有卓越的熱學性能，將其主要成分Li2O、Al2O3、SiO2和熱處理工藝精心設計，它的熱膨脹系數可以在（-5～+80）10-7/℃范圍內任意調節，在某一溫度范圍內可以達到零膨脹，即零膨脹玻璃。零膨脹玻璃在可見光和近紅外的透光率在80%以上，當厚度在5mm以下時，它的透過率可以達到90%以上，力學性能優良?？梢哉f，零膨脹鋰鋁硅透明微晶玻璃的存在對增強材料的抗熱沖擊性能，提高材料的使用壽命，擴大材料的使用范圍起到很大作用，尤其適合應用在激光器中，它的存在使得激光器聚光元件變形的問題得以改善。

在可見和近紅外區域常用的高折射率材料有Ta2O5、TiO2，低折射率材料有 SiO2、MgF2。TiO2雖然在可見近紅外區域透明狀態好，但是它蒸發過程中容易失氧形成高吸收；Ta2O5透明區寬，與SiO2、MgF2結合膜層牢固，抗激光損傷能力高于 TiO2［4］，材料本身折射率高，吸收系數小，十分適合作為減反膜高折射率材料；MgF2是常見膜料中折射率最低的，但是MgF2張應力較大，不適合鍍制較厚膜層；SiO2吸收小、硬度高、耐磨、膜層牢固、透明區寬，是十分常見的低折射率材料。

1.2 膜系設計

減反膜一般可分為單層膜、雙層膜和多層膜。單層減反膜與雙層減反膜主要用于有單點透射要求的減反膜，透射帶較窄，而多層減反膜克服了這個缺陷。常用的三層減反膜的膜系是Sub|M 2H L|Air，該膜系雖然一定限度的展寬了透射帶，但仍然無法同時滿足589nm和1064nm的減反要求。因此，需要對膜系結構進行設計。

本文在三層減反膜基礎上根據有效界面法通過增加膜層的層數和厚度來展寬透射帶。

圖1 有效界面法

如圖1所示，有效界面法的思想是使選定的膜層從膜系中分離出來，整個膜系組合可以用兩個有效界面表示。這樣就可以對多層膜特性進行分析，膜層兩側子膜系反射透射系數分別為t1,t2,r1,r2。

由公式（2）可知T0（λ）和 F（λ）取決于兩分膜系的反射率，sin2θ取決于兩分膜系的反射相移以及中間層的膜層厚度，當T0≈1（R1=R2）和 sin2θ ≈0時整個膜系在該波長處透射率接近1。

使用TFC軟件中針法優化輔助設計［5］。選取Ta2O5、SiO2作為高折射率材料H和低折射率材料L，經過多次優化得到Sub|0.3838H 0.9437L 0.3187H 0.2620L 1.1555H 0.3075L 0.6050H 0.9453L|Air，光譜曲線圖如圖2所示。

圖2 優化后減反膜的光譜曲線

如圖2所示，589nm處透射帶帶寬達到90nm，反射率達到2.4%，1064nm處反射率達到0.01%，滿足設計要求。

2 薄膜鍍制

采用惠州奧普康900鍍膜機，并配置考夫曼離子源和雙電子槍，以電子束蒸發方法和離子束輔助沉積方法制備薄膜。

膜料的折射率在實際制備過程中會隨工藝參數的變化而變化，為了獲得所需要的光學薄膜，需要在鍍制薄膜前確定兩種膜料的折射率隨波長變化的色散分布，如圖3、圖4所示。

圖3 Ta2O5折射率分布

圖4 SiO2折射率分布

制備過程中膜料折射率的變化對鍍制的減反膜影響很大，經模擬可知，Ta2O5折射率低于圖3中所示的折射率則減反膜反射率降低，反之反射率增大。SiO2折射率低于圖4所示的反射率則589nm反射率降低、1064nm反射率提高，為獲得理論設計的減反效果，就要對每種膜料的折射率準確控制，才能夠獲得重復性好沉積工藝穩定的加工過程。

Ta2O5制備時基片溫度和離子源氧氣流量是影響折射率的主要因素［6-7］。實驗證明設置烘烤溫度為290℃時，可獲得牢固薄膜，在此基礎上加大離子源氧氣流量可以提高和穩定膜料折射率。

SiO2在制備過程中需要充氧，理論上SiO2隨氧氣流量的增加折射率會明顯降低，當達到一定的程度時折射率會趨于穩定，因此通過調整氧氣輸入量的方法，可以控制SiO2膜的折射率的變化［8］。

在鍍膜時膜料蒸發速率對薄膜內部應力的產生以及膜層微觀結構有直接的影響。實驗過程中發現，Ta2O5蒸發速率大于0.3nm/s，薄膜有較大的吸收。SiO2蒸發速率大于0.7nm/s，膜厚控制誤差較大。蒸發速率雖然不能過高，但是并不表示越低越好，過低的蒸發速率會導致薄膜膜層疏松，成膜質量較差。

綜上所述，經多次實驗最終優化的工藝參數為烘烤溫度290℃，真空度為3.5×10-3Pa時打開電子槍開始對膜料預熔，真空度達到2.2×10-3Pa時充入氧氣量為12CCM，打開離子源，轟擊基片5min后開始蒸鍍，Ta2O5的真空度為 1.0×10-2Pa，蒸發速率是0.3nm/s；SiO2的真空度為 9.0×10-3Pa，蒸發速率是0.7nm/s，離子源參數為屏級電壓415，加速電壓275，陽極電壓55，中和電流14，離子束流50，充氧量12。

3 檢測與分析

3.1 光學性能測試

應用日本島津UV-3150分光光度計對樣品測試，實測光譜曲線如圖5所示。

圖5 減反膜實測光譜曲線

圖6 修改工藝參數后減反膜實測曲線

如圖5所示在589nm處反射率為3.3%，1064nm處反射率達到0.3%，不滿足使用要求，并且589nm透射帶光譜曲線與設計曲線稍有偏差，經過模擬分析發現，可能是以下原因導致：一是Ta2O5鍍少了，二是石英晶控法監控膜厚時存在膜層累積誤差，三是Ta2O5在制備過程中因離子源充氧不足膜層有缺陷，形成吸收。本文最終經過多次實驗，通過修改Ta2O5的晶控tooling值，減小因膜厚帶來的誤差；提高離子源充氧量，減小Ta2O5因充氧不足帶來的缺陷。調整后樣品實測光譜曲線如圖6所示，589nm處反射率為2.8%，1064nm處反射率達到0.1%，滿足使用要求。

3.2 激光損傷閾值測試

薄膜承受激光損傷能力的高低隨膜料、膜系結構、工藝條件的不同而不同。減反膜損傷機理是一方面它需承擔大量的能量，另一方面它要引導入射能量穿透基板，所以殘余吸收較高的基板-膜層表面也會使減反膜本身的損傷閾值降低。

提高薄膜損傷閾值的方法在很多文獻中都有提及［9-12］。在鍍膜工藝上離子輔助淀積方法可以有效提高激光損傷閾值［13-14］。本文為提高薄膜激光損傷閾值采用離子束輔助沉積方法，這種方法降低了材料本身的缺陷，減小了因缺陷吸收高熱量對薄膜造成的損傷。鍍制的減反膜的聚光元件放入860mW連續589nm激光輸出的黃光激光器中，經激光輻照后薄膜無損傷。

4 結論

本文以零膨脹玻璃為基底減小因激光的高能量引起的熱變形問題，采用Ta2O5、SiO2兩種材料在三層減反膜基礎上根據雙有效界面法增加膜層數目和厚度展寬透射帶，并通過調整氧壓、基片溫度、沉積速率等工藝因素解決了589nm反射率在2%～3%之間難以控制的問題；同時使用離子束輔助沉積方法提高激光損傷閾值，最終獲得可以在黃光激光器聚光元件上使用的光學性能優良、高激光損傷閾值的雙波段減反膜。

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