黄光激光器聚光元件减反膜的研究

付秀华，麻晓丹，文大化

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 长春 130033）

激光技术一直以来是研究的热点，由于黄光激光器在激光医疗、测量、显示与照明、舞台表演、城市观景、国防、科研等方面有很广泛的应用需求和应用前景，特别是589nm黄色激光与钠原子D2吸收线相对应，因此在空间目标识别与探测方面也有着不可忽视的作用。

目前在国外，美国芝加哥大学与Caltech合作发展了8W腔外和频589nm激光器。美空军研究实验室星火光学靶场利用LD抽运的全固态1064nm及1319nm激光器腔外和频产生了50W连续589nm激光器。洛克希德·马丁相干技术公司为Gemini South天文台开发了基于LD抽运Nd：YAG激光器的功率为55W的589nm黄光激光器。在国内，2006年中国科学院长春光学精密机械与物理研究所用LD抽运Nd：YAG腔内和频获得860mW连续589nm激光输出；2008年，固体激光技术国家重点实验室以复合腔型腔内和频获得最高平均功率为10.5W，重复频率是5kHz的589nm黄光激光器；2009年，鲁燕华等报道了1.52W输出功率的腔外和频589nm黄光激光器，又报道了一台平均功率3.09W，和频效率大于35%的PPSLT晶体准相位匹配和频钠导星激光器。

589nm黄光激光器目前主要是通过1064nm和1319nm激光和频而获得［1-3］。黄光激光器光束整形系统中，聚光元件需要镀制减反膜，该减反膜可以有效降低元件表面的反射率。据所查资料，目前激光器聚光元件减反膜的研究大多集中在355nm、532nm、1064nm等波段，589nm和1064nm双波段透射还未见报道。

1 膜系设计

减反膜也称为增透膜，指在所需要的波长范围内降低元件表面的反射率，所采用的膜料本身的特性和设计的膜系是影响增透效果的主要因素。

1.1 基底和膜料的选择

锂铝硅透明微晶玻璃有卓越的热学性能，将其主要成分Li2O、Al2O3、SiO2和热处理工艺精心设计，它的热膨胀系数可以在（-5～+80）10-7/℃范围内任意调节，在某一温度范围内可以达到零膨胀，即零膨胀玻璃。零膨胀玻璃在可见光和近红外的透光率在80%以上，当厚度在5mm以下时，它的透过率可以达到90%以上，力学性能优良。可以说，零膨胀锂铝硅透明微晶玻璃的存在对增强材料的抗热冲击性能，提高材料的使用寿命，扩大材料的使用范围起到很大作用，尤其适合应用在激光器中，它的存在使得激光器聚光元件变形的问题得以改善。

在可见和近红外区域常用的高折射率材料有Ta2O5、TiO2，低折射率材料有 SiO2、MgF2。TiO2虽然在可见近红外区域透明状态好，但是它蒸发过程中容易失氧形成高吸收；Ta2O5透明区宽，与SiO2、MgF2结合膜层牢固，抗激光损伤能力高于 TiO2［4］，材料本身折射率高，吸收系数小，十分适合作为减反膜高折射率材料；MgF2是常见膜料中折射率最低的，但是MgF2张应力较大，不适合镀制较厚膜层；SiO2吸收小、硬度高、耐磨、膜层牢固、透明区宽，是十分常见的低折射率材料。

1.2 膜系设计

减反膜一般可分为单层膜、双层膜和多层膜。单层减反膜与双层减反膜主要用于有单点透射要求的减反膜，透射带较窄，而多层减反膜克服了这个缺陷。常用的三层减反膜的膜系是Sub|M 2H L|Air，该膜系虽然一定限度的展宽了透射带，但仍然无法同时满足589nm和1064nm的减反要求。因此，需要对膜系结构进行设计。

本文在三层减反膜基础上根据有效界面法通过增加膜层的层数和厚度来展宽透射带。

图1 有效界面法

如图1所示，有效界面法的思想是使选定的膜层从膜系中分离出来，整个膜系组合可以用两个有效界面表示。这样就可以对多层膜特性进行分析，膜层两侧子膜系反射透射系数分别为t1,t2,r1,r2。

由公式（2）可知T0（λ）和 F（λ）取决于两分膜系的反射率，sin2θ取决于两分膜系的反射相移以及中间层的膜层厚度，当T0≈1（R1=R2）和 sin2θ ≈0时整个膜系在该波长处透射率接近1。

使用TFC软件中针法优化辅助设计［5］。选取Ta2O5、SiO2作为高折射率材料H和低折射率材料L，经过多次优化得到Sub|0.3838H 0.9437L 0.3187H 0.2620L 1.1555H 0.3075L 0.6050H 0.9453L|Air，光谱曲线图如图2所示。

图2 优化后减反膜的光谱曲线

如图2所示，589nm处透射带带宽达到90nm，反射率达到2.4%，1064nm处反射率达到0.01%，满足设计要求。

2 薄膜镀制

采用惠州奥普康900镀膜机，并配置考夫曼离子源和双电子枪，以电子束蒸发方法和离子束辅助沉积方法制备薄膜。

膜料的折射率在实际制备过程中会随工艺参数的变化而变化，为了获得所需要的光学薄膜，需要在镀制薄膜前确定两种膜料的折射率随波长变化的色散分布，如图3、图4所示。

图3 Ta2O5折射率分布

图4 SiO2折射率分布

制备过程中膜料折射率的变化对镀制的减反膜影响很大，经模拟可知，Ta2O5折射率低于图3中所示的折射率则减反膜反射率降低，反之反射率增大。SiO2折射率低于图4所示的反射率则589nm反射率降低、1064nm反射率提高，为获得理论设计的减反效果，就要对每种膜料的折射率准确控制，才能够获得重复性好沉积工艺稳定的加工过程。

Ta2O5制备时基片温度和离子源氧气流量是影响折射率的主要因素［6-7］。实验证明设置烘烤温度为290℃时，可获得牢固薄膜，在此基础上加大离子源氧气流量可以提高和稳定膜料折射率。

SiO2在制备过程中需要充氧，理论上SiO2随氧气流量的增加折射率会明显降低，当达到一定的程度时折射率会趋于稳定，因此通过调整氧气输入量的方法，可以控制SiO2膜的折射率的变化［8］。

在镀膜时膜料蒸发速率对薄膜内部应力的产生以及膜层微观结构有直接的影响。实验过程中发现，Ta2O5蒸发速率大于0.3nm/s，薄膜有较大的吸收。SiO2蒸发速率大于0.7nm/s，膜厚控制误差较大。蒸发速率虽然不能过高，但是并不表示越低越好，过低的蒸发速率会导致薄膜膜层疏松，成膜质量较差。

综上所述，经多次实验最终优化的工艺参数为烘烤温度290℃，真空度为3.5×10-3Pa时打开电子枪开始对膜料预熔，真空度达到2.2×10-3Pa时充入氧气量为12CCM，打开离子源，轰击基片5min后开始蒸镀，Ta2O5的真空度为 1.0×10-2Pa，蒸发速率是0.3nm/s；SiO2的真空度为 9.0×10-3Pa，蒸发速率是0.7nm/s，离子源参数为屏级电压415，加速电压275，阳极电压55，中和电流14，离子束流50，充氧量12。

3 检测与分析

3.1 光学性能测试

应用日本岛津UV-3150分光光度计对样品测试，实测光谱曲线如图5所示。

图5 减反膜实测光谱曲线

图6 修改工艺参数后减反膜实测曲线

如图5所示在589nm处反射率为3.3%，1064nm处反射率达到0.3%，不满足使用要求，并且589nm透射带光谱曲线与设计曲线稍有偏差，经过模拟分析发现，可能是以下原因导致：一是Ta2O5镀少了，二是石英晶控法监控膜厚时存在膜层累积误差，三是Ta2O5在制备过程中因离子源充氧不足膜层有缺陷，形成吸收。本文最终经过多次实验，通过修改Ta2O5的晶控tooling值，减小因膜厚带来的误差；提高离子源充氧量，减小Ta2O5因充氧不足带来的缺陷。调整后样品实测光谱曲线如图6所示，589nm处反射率为2.8%，1064nm处反射率达到0.1%，满足使用要求。

3.2 激光损伤阈值测试

薄膜承受激光损伤能力的高低随膜料、膜系结构、工艺条件的不同而不同。减反膜损伤机理是一方面它需承担大量的能量，另一方面它要引导入射能量穿透基板，所以残余吸收较高的基板-膜层表面也会使减反膜本身的损伤阈值降低。

提高薄膜损伤阈值的方法在很多文献中都有提及［9-12］。在镀膜工艺上离子辅助淀积方法可以有效提高激光损伤阈值［13-14］。本文为提高薄膜激光损伤阈值采用离子束辅助沉积方法，这种方法降低了材料本身的缺陷，减小了因缺陷吸收高热量对薄膜造成的损伤。镀制的减反膜的聚光元件放入860mW连续589nm激光输出的黄光激光器中，经激光辐照后薄膜无损伤。

4 结论

本文以零膨胀玻璃为基底减小因激光的高能量引起的热变形问题，采用Ta2O5、SiO2两种材料在三层减反膜基础上根据双有效界面法增加膜层数目和厚度展宽透射带，并通过调整氧压、基片温度、沉积速率等工艺因素解决了589nm反射率在2%～3%之间难以控制的问题；同时使用离子束辅助沉积方法提高激光损伤阈值，最终获得可以在黄光激光器聚光元件上使用的光学性能优良、高激光损伤阈值的双波段减反膜。

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