SiO₂半波覆盖层对 HfO₂/SiO₂高反射膜激光损伤的影响

日期：2025-07-28 23:38

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摘要：SiO₂半波覆盖层对 HfO₂/SiO₂高反射膜激光损伤的影响

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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。

摘要：本研究旨在探究 SiO₂半波覆盖层对 HfO₂/SiO₂高反射膜激光损伤特性的影响。通过电子束蒸发技术制备了具有不同 SiO₂半波覆盖层状态的 HfO₂/SiO₂高反射膜样品，利用 1064nm 脉冲激光器对样品进行激光辐照实验，结合扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等表征手段，分析膜层的损伤形貌、粗糙度变化以及损伤阈值的差异。研究结果表明，合理引入 SiO₂半波覆盖层能够有效改善高反射膜的抗激光损伤性能，为高功率激光系统中高性能反射膜的设计与制备提供了重要参考依据。

一、引言

在高功率激光系统中，反射膜作为关键光学元件，其性能直接关系到系统的输出能量、光束质量以及稳定性。HfO₂/SiO₂高反射膜由于其良好的光学性能和相对较高的抗激光损伤能力，在 1064nm 波长的高功率激光应用中得到广泛使用。然而，随着激光技术的不断发展，对反射膜的抗激光损伤性能提出了更高要求。激光损伤会导致膜层的反射率下降、光学性能恶化，甚至造成膜层脱落，严重影响激光系统的正常运行。

研究表明，膜层的微观结构、杂质含量、缺陷分布以及膜层间的界面特性等因素都会对其抗激光损伤性能产生显著影响。引入覆盖层是改善膜层性能的一种有效手段。SiO₂材料具有化学稳定性高、光学均匀性好、在 1064nm 波长处吸收低等优点，常被用作覆盖层材料。本研究通过在 HfO₂/SiO₂高反射膜表面制备 SiO₂半波覆盖层，系统研究其对高反射膜激光损伤性能的影响，以期为高功率激光系统中反射膜的优化设计提供理论和实验基础。

二、实验部分

2.1 样品制备

选用表面粗糙度小于 1nm 的 K9 玻璃作为基底，采用电子束蒸发技术在基底上制备 HfO₂/SiO₂高反射膜。HfO₂作为高折射率材料，在 1064nm 处折射率约为 2.0 - 2.1；SiO₂作为低折射率材料，在该波长处折射率约为 1.45 。依据多层膜干涉理论，设计了以（HL）sH 为结构的膜系，其中 H 代表 HfO₂膜层，L 代表 SiO₂膜层，s 为周期数，经优化计算确定 s = 15 时，在 1064nm 波长处可实现反射率大于 99.5% 的目标。

在制备过程中，先将真空室利用机械泵和 ROOTS 泵抽至 8Pa 气压，再通过冷凝泵降至 1.0×10⁻³ Pa 以下。基片由真空室内底部的石英加热器加热，加热至 200℃以上时，温度漂移不超过 8℃，但因电子束加热源材料产生辐射热，从室温加热到该温度区间时，真空室内气压会因出气上升近 2 个量级，故需等待 5 - 6 小时，待气压重新降回 1.0×10⁻³ Pa 以下才进行镀膜。HfO₂源材料由北京有色金属研究院提供，含 2% - 3% ZrO₂，颗粒尺寸 1.5 - 4.0mm，沉积前进行逐层预熔除气并形成平坦预熔面，以保证沉积速率稳定。SiO₂源材料由日本 Optron 公司提供，纯度 99.99%，颗粒尺寸 2 - 3mm 。膜层几何厚度由石英晶振控制器监控，光学厚度由 OMS3000 光控系统控制，石英晶振器监控沉积速率，通过 Leycom 控制系统调节电子枪功率维持稳定。

为研究 SiO₂半波覆盖层的影响，制备两组样品：一组为未添加 SiO₂半波覆盖层的 HfO₂/SiO₂高反射膜（样品 A）；另一组在制备好的 HfO₂/SiO₂高反射膜表面，利用电子束蒸发技术沉积一层厚度为半波长（对应 1064nm 波长）的 SiO₂覆盖层（样品 B）。

2.2 激光损伤测试

采用波长 1064nm、脉宽 5ns、重复频率 1Hz 的高功率脉冲激光器进行激光损伤测试。实验采用 1 - on - 1 测试方法，即对每个测试点仅施加一次激光脉冲。通过逐渐增加激光能量密度，直至膜层表面出现损伤，记录此时的激光能量密度作为抗激光损伤阈值。损伤形貌通过扫描电子显微镜（SEM）进行观察，以分析损伤的特征和程度。同时，利用原子力显微镜（AFM）测量损伤区域及周边的表面粗糙度，评估激光损伤对膜层表面质量的影响。

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