付秀華，麻曉丹，文大化

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

激光技術(shù)一直以來是研究的熱點，由于黃光激光器在激光醫(yī)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(yīng)用需求和應(yīng)用前景，特別是589nm黃色激光與鈉原子D2吸收線相對應(yīng)，因此在空間目標(biāo)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(xué)與Caltech合作發(fā)展了8W腔外和頻589nm激光器。美空軍研究實驗室星火光學(xué)靶場利用LD抽運的全固態(tài)1064nm及1319nm激光器腔外和頻產(chǎn)生了50W連續(xù)589nm激光器。洛克希德·馬丁相干技術(shù)公司為Gemini South天文臺開發(fā)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(nèi)，2006年中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所用LD抽運Nd：YAG腔內(nèi)和頻獲得860mW連續(xù)589nm激光輸出；2008年，固體激光技術(shù)國家重點實驗室以復(fù)合腔型腔內(nèi)和頻獲得最高平均功率為10.5W，重復(fù)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(zhǔn)相位匹配和頻鈉導(dǎo)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(tǒng)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(jù)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(shè)計

減反膜也稱為增透膜，指在所需要的波長范圍內(nèi)降低元件表面的反射率，所采用的膜料本身的特性和設(shè)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(xué)性能，將其主要成分Li2O、Al2O3、SiO2和熱處理工藝精心設(shè)計，它的熱膨脹系數(shù)可以在（-5～+80）10-7/℃范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，在某一溫度范圍內(nèi)可以達(dá)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(dāng)厚度在5mm以下時，它的透過率可以達(dá)到90%以上，力學(xué)性能優(yōu)良?？梢哉f，零膨脹鋰鋁硅透明微晶玻璃的存在對增強(qiáng)材料的抗熱沖擊性能，提高材料的使用壽命，擴(kuò)大材料的使用范圍起到很大作用，尤其適合應(yīng)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(qū)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(qū)域透明狀態(tài)好，但是它蒸發(fā)過程中容易失氧形成高吸收；Ta2O5透明區(qū)寬，與SiO2、MgF2結(jié)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(shù)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(yīng)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(qū)寬，是十分常見的低折射率材料。

1.2 膜系設(shè)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(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

本文在三層減反膜基礎(chǔ)上根據(jù)有效界面法通過增加膜層的層數(shù)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(jìn)行分析，膜層兩側(cè)子膜系反射透射系數(shù)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(dāng)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(yōu)化輔助設(shè)計［5］。選取Ta2O5、SiO2作為高折射率材料H和低折射率材料L，經(jīng)過多次優(yōu)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(yōu)化后減反膜的光譜曲線

如圖2所示，589nm處透射帶帶寬達(dá)到90nm，反射率達(dá)到2.4%，1064nm處反射率達(dá)到0.01%，滿足設(shè)計要求。

2 薄膜鍍制

采用惠州奧普康900鍍膜機(jī)，并配置考夫曼離子源和雙電子槍，以電子束蒸發(fā)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(shù)的變化而變化，為了獲得所需要的光學(xué)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(jīng)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(shè)計的減反效果，就要對每種膜料的折射率準(zhǔn)確控制，才能夠獲得重復(fù)性好沉積工藝穩(wěn)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(shè)置烘烤溫度為290℃時，可獲得牢固薄膜，在此基礎(chǔ)上加大離子源氧氣流量可以提高和穩(wěn)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(dāng)達(dá)到一定的程度時折射率會趨于穩(wěn)定，因此通過調(diào)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(fā)速率對薄膜內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生以及膜層微觀結(jié)構(gòu)有直接的影響。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，Ta2O5蒸發(fā)速率大于0.3nm/s，薄膜有較大的吸收。SiO2蒸發(fā)速率大于0.7nm/s，膜厚控制誤差較大。蒸發(fā)速率雖然不能過高，但是并不表示越低越好，過低的蒸發(fā)速率會導(dǎo)致薄膜膜層疏松，成膜質(zhì)量較差。

綜上所述，經(jīng)多次實驗最終優(yōu)化的工藝參數(shù)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(yù)熔，真空度達(dá)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(fā)速率是0.3nm/s；SiO2的真空度為 9.0×10-3Pa，蒸發(fā)速率是0.7nm/s，離子源參數(shù)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(xué)性能測試

應(yīng)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(shù)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(dá)到0.3%，不滿足使用要求，并且589nm透射帶光譜曲線與設(shè)計曲線稍有偏差，經(jīng)過模擬分析發(fā)現(xiàn)，可能是以下原因?qū)е拢阂皇荰a2O5鍍少了，二是石英晶控法監(jiān)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(jīng)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(diào)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(dá)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(jié)構(gòu)、工藝條件的不同而不同。減反膜損傷機(jī)理是一方面它需承擔(dān)大量的能量，另一方面它要引導(dǎo)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(xiàn)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(xù)589nm激光輸出的黃光激光器中，經(jīng)激光輻照后薄膜無損傷。

4 結(jié)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(chǔ)上根據(jù)雙有效界面法增加膜層數(shù)目和厚度展寬透射帶，并通過調(diào)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(xué)性能優(yōu)良、高激光損傷閾值的雙波段減反膜。

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