卜轶坤1,2 , 赵丽1,2 , 郑权 1 , 钱龙生1
(1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春130022 ;
2. 中国科学院研究生院, 北京100039)
摘要: 为了提高激光反射膜的光谱特性和抗激光损伤特性, 提出了一种高损伤阈值激光反射镜的设计方法: 采用HfO2- Nb2O5- SiO2 多材料混合膜系结构, 利用Nb2O5- SiO2 折射率差值大的特点, 在较少的膜层数下达到高反射率要求; 利用HfO2- SiO2 组合具有高的抗激光损伤特点, 在Nb2O5- SiO2 膜堆的最外部分叠加HfO2- SiO2 膜堆, 取长补短, 做到采用较少的膜层数, 达到高反射率要求, 同时提高薄膜的抗激光损伤能力。该方法能灵活有效地按照不同膜系要求进行材料组合, 具有很高的实用价值，达到工程最优化设计。 关键词: 高反射膜; 激光损伤阈值；电场分布
中图分类号: O484.4文献标识码: A文章编号: 1007- 2276 ( 2006 ) 02- 0183- 04
Design method of h i gh damage thr e shold laser mir r or*
BU Yi!kun1,2, ZHA O Li1,2, ZHENG Quan1, QIAN Long!sheng1
(1.Changchun Institu te of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, C hangchu n 130022, China;
2.Graduate University of Chinese Academy of Scie nc es,Beijing 100039, China)
Abstr act : To achieve high spectra perfo rmance a nd laser damage performance for the laser high ref !
lectivity film, a design method of high performance laser film that ensures not only high reflectivity but also a high laser damage threshold is presented here.Three film materials: HfO2- Nb2O5- SiO2 were used to design the laser high reflectivity film. The high reflectivity requirement was attained by use of Nb2O5- SiO2 film stack because of the larger refractive index ratio. HfO2 - SiO2 film stack was combined with Nb2O5 - SiO2 film stack at the outside to improve the laser damage threshold for integer film stack. By using fewer film layers and lower material cost, the high reflectivity and high laser damage threshold for laser reflectivity film were simultaneously achieved.
Key wor d s: High reflectivity film ;Laser damage threshold ;Electric field distribution
0引言而又最易损伤的薄弱环节, 随着激光器输出功率和能
量的不断提高, 对激光器腔镜高反膜的反射率和损伤
阈值提出了越来越高的要求, 如何能够制备出超高反在高功率激光系统中, 光学薄膜是一个非常重要
收稿日期: 2005- 05- 31；修订日期: 2005- 08- 12
* 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目(2002AA311141)
作者简介: 卜轶坤( 1979- ) , 男, 河北张家口人, 博士生, 主要从事LD 泵浦全固态激光器及大功率激光反射膜的研究。
184第35 卷
红外与激光工程
射率、超低损耗和高抗激光损伤能力的全介质激光反射膜, 成为国内外学者研究的热点。目前, 国际上报道的激光腔镜的最高反射率可以达到99.999 8% [1] , 是采用离子束溅射沉积技术制备的, 运用这项技术可以很容易制备出反射率大于99.99% , 损耗低于40 ×10 - 6 的全介质反射膜, 主要应用于激光陀
螺和高功率激光腔镜的研制。对于高功率激光系统中的反射镜, 高的反射率水平并不能直接反应反射镜抗激光损伤的强度, 即激光高反射膜的损伤阈值。通过设计不同的膜层、研究新的沉积工艺, 广泛地研究如何有效地提高薄膜的抗激光损伤阈值, 先后提出了用优化激光在膜层的驻波场[2 ～3] 和温度场分布[4] 来提高薄膜抗损伤阈值的驻波场和温度场优化设计, 在高反射膜表面增镀λ/4 偶数倍SiO2 膜层的半波保护膜方法[5～7] , 在膜层材料上选用耐损伤能力强的薄膜材料组合, 如HfO2/ SiO2[8] 、Y2O3/SiO2 等方法。由于制备高性能激光薄膜的材料非常有限, 要同时达到高反射率和高的抗激光损伤要求, 往往是镀制多膜层, 镀制难度大, 且成本很高, 不适合大规模生产。如何选用适当的膜层组合, 在较少的层数下制备出高反射率、高损伤阈值的激光薄膜成为一个难点。
从工程设计的角度提出了一种高损伤阈值激光反射镜的设计方法: 采用HfO2- Nb2O5- SiO2 多材料膜系结构, 根据不同薄膜材料的性能, 取长补短, 利用Nb2O5- SiO2 膜层组合折射率差值大的特点, 在较少的层数下满足高反射率的要求; 利用HfO2 - SiO2 材料具有高的激光损伤阈值的特点, 在Nb2O5- SiO2 膜堆的最外部分叠加HfO2- SiO2 膜堆, 膜堆间隔部分采用SiO2 半波层作为过渡层, 并对Nb2O5- SiO2 起到提高其抗激光损伤能力的半波保护作用, 做到采用较少的膜层数, 达到高反射率要求, 同时提高薄膜的抗激光损伤能力。别为:
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式中: n
1
、n
2
为2 种材料的折射率( n
1> n2
) ; n
为入射媒介的折射率; n g 为基底材料的折射率。由薄膜光学理论知道, 若给定层数为奇数, 则用高折射率层作最外层, 总是能得到最大的反射率, 所以基本的反射膜堆结构一般为Sub/(HL)S H/Air 。根据多层膜反射率公式( 2 )可知: 当2 层膜的周期数S 固定时, 反射率R 随n1/n2 增加而增大, 而当n1/n2 的比值固定时, 反射率R 随S 增加而增大; 所以为了获得高的反射率, 可以选用高低折射率差值大的材料组合和沉积较多的层数。从理论上讲, 全介质膜层在层数足够多时, 可以达到接近100% 的反射率, 但实际上膜层的层数不可能无限地增加, 最高可达到的反射率要受到膜层吸收和散射损耗的限制, 而且层数越多, 膜层应力越大, 膜厚监控难度也会加大, 镀制成本也会随之增加。为了优化膜系的设计与制备, 要求所使用的镀膜材料具有最低的吸收和最高的折射率比值, 目前为获得高反射率，常选用TiO2/SiO2 、Ta2O5/SiO2 、Nb2O5/SiO2 等具有高折射率比值的材料组合。
1.2 高损伤阈值激光反射膜
对于高功率激光系统中的反射镜, 高的反射率水平并不能直接反应反射镜抗激光损伤的强度, 即激光高
反射膜的损伤阈值。设计具有高损伤阈值的激光反射膜时必须考虑激光在膜层中的驻波场和温度场的分布情况。已知激光在膜层中传播时入射光和反射光的干涉在薄膜内形成了驻波场, 在薄膜内部吸收系数处处相等的区域, 驻波场强越大, 该区域的吸收损耗越大。对于标准的λ/4 高反射膜系, 驻波场强最大峰值位于最外层膜和其相邻一层膜的交界面上, 最大强
1 激光反射膜理论分析
1.1 全介质反射膜
传统的介质高反射膜采用的是高低2 种折射率
材料叠加光学厚度为λ/4 周期性多层膜结构, 从多
层膜的特征矩阵[9]出发, 对于周期膜系S, 可以得到偶
数层2S 和奇数层2S+1 在中心波长λ0 处的反射率分度为4n 2/n 2, 次极大按比值n 2/n 2 成比例减少, 越到
0 H L H
膜层内部, 驻波场强越小; 所以高反射膜的损耗, 主要
第 2 期
卜 轶 坤 等 : 高 损 伤 阈 值 激 光 反 射 镜 的 设 计 方 法 185
取 决 于 靠 近 入 射 媒 介 的 最 外 几 层 膜 的 吸 收 系 数 大 小
和 驻 波 场 强 的 分 布 , 在 可 见 光 区 和 近 红 外 区 , 高 折 射 率 材 料 的 消 光 系 数 一 般 要 比 低 折 射 率 材 料 大 一 两 个 数量级, 损伤往往是 发生在最外侧几个膜堆中的高折 射率膜层。对于高功率激光薄膜, 最终导致薄膜损伤 或 失 效 的 是 其 局 部 温 升 , 研 究 薄 膜 的 激 光 破 坏 , 必 须 考虑薄膜内部的温度场分布, 薄膜内的 峰值温度随吸 收系数急剧增加, 通过 计 算 常 规 的 λ/4 高 反 射 膜 系 的 驻波场( 见 图 1 ( a ) ) 和 温 度 场 ( 见 图 1 ( b ) ) 分 布[6] 可 以 看出, 在薄膜材料以及各种吸收 特性相同的条件下, 高反射膜层的温度场分 布直接取决于驻波场的强弱, 如图 1 所示。
型 态 , 具 有 较 高 的 激 光 损 伤 阈 值 , 是 一 种 理 想 的 低 折
射率材料。考虑可能达到的高低折射率差和高抗激光 损 伤 阈 值 , 可 选 用 的 高 折 射 率 材 料 非 常 有 限 , 如 Ta 2O 5 、TiO 2 、Nb 2O 5 等一般为低熔点材料, 其抗激 光 损 伤阈值较低, 在激光辐照过程中能量累积对薄膜烧蚀 效 应 明 显 。具 有 高 抗 激 光 损 伤 能 力 的 材 料 , 如 HfO 2 、 Y 2O 3 、ZrO 2 等, 其折射率往往偏低, 达到高反射率要求 存在所需层数多、膜面粗糙、镀制难度大、成本高 的缺 点。为克服上述缺点, 提出一种新的高损 伤阈值激光 反射镜的设计方法: 不采用传统 的 2 种高低折射率薄 膜 材 料 , 改 用 三 种 薄 膜 材 料 , 低 折 射 率 材 料 选 用 具 有 极好抗激光性能的 SiO 2(n=1.465) , 高折射率材料选用 具有很高折射率的 Nb 2O 5(n=2.35) 和 极高抗激光损伤 阈值的 HfO 2
(n=1.96) 。根据激光在薄膜内的驻波场和 温 度 场 分 布 主 要 集 中 于 靠 近 空 气 侧 的 最 外 几 层 的 特 点 , 即 激 光 损 伤 也 经 常 发 生 在 这 几 个 膜 层 中 , 在 设 计 中采用 HfO 2- Nb 2O 5- SiO 2 多材料膜系结构, 在整 个膜 层 结 构 的 内 侧 , 即 损 伤 几 率 较 小 的 部 分 采 用 Nb 2O 5 - SiO 2 膜堆, 利用其折射率比值大的优势通过 较少的膜 层数达到高反射率的要求; 在该膜 堆的最外部分叠加 HfO 2- SiO 2 膜 堆 , 以 HfO 2 - SiO 2 膜 堆 组 合 具 有 强 抗 激 光损伤性能来保证整个膜层的抗激光 能力; 膜堆间隔 部 分 采 用 SiO 2 半 波 层 作 为 过 渡 层 , 对 Nb 2O 5 - SiO 2 起 到提高其激光损伤能力的半波保护作 用, 采用较少的 膜层数可以满足高反射率、高损伤阈值的要求。
图 1 膜 系 结 构 为 A/ 7(HL )H/ Sub λ0=1 064 nm
, Ti O 2/ Si O 2 高 反 射 膜 驻 波 场 与 温 度 场 分 布
Fig.1 Electricity and temperature distribu tion of Ti O 2/ S iO 2 in high
reflectivity multilayers A/ 7(HL )H/ S ub λ0=1 064 nm
3 多材料混合激光反射膜膜系设计实例
根据上述分析, 提出膜系结 构 : Substrate / (HL)m
2L (ML)n M 2L / Air ( m>n ) , 从 膜 系 的 实 际 制 备 情 况 出发进行光学薄膜的优化设计, 这里 给出采用双离子 束反应溅射沉积制备 HfO 2 、Nb 2O 5 和 SiO 2 薄 膜的性能 参 数 , 实 验 装 置 及 沉 积 工 艺 参 数 见 参 考 文 献 [10] , 以 此进行膜系设计。
设计步骤为首先设计一 个 常 规 的 27 层 高 反 射 膜 堆 , 膜 系 结 构 : glass / (HL)13H / Air , H 为 Nb 2O 5 高 折 射率材料, L 为 SiO 2 低折射率材 料, 光谱透射率曲线 如 图 2 所 示 , 中 心 波 长 1 064 nm 的 理 论 反 射 率 为 99.995 4% 。计算其电场强度分布曲线, 见图 3 , 电场
2 高反射率、高损伤阈值激光薄膜膜系设计
为同时达到高反射率和高抗激光损伤的要 求 , 设
计高性能的激光反射膜需满足以下原则 : ( 1 ) 选取高 低 折 射 率 差 值 大 的 材 料 组 合 , 减 少 镀 制 膜 层 数 , 降 低 制备难度和生产成本; ( 2 ) 从激光 对薄膜的破坏角度 来说, 膜层材料应具有高 的抗激光损伤阈值, 否则, 再 优良的光谱性能也没有使用价值。SiO 2 在工作波长上 吸 收 系 数 很 小 , 呈 均 匀 的 微 粒 生 长 , 膜 层 结 构 为 无 定
186
第 35 卷
红外与激光工程
算 , 膜 系 结 构 : glass / (ML)13M/ Air , 光 谱 曲 线 见 图 4 中的虚线部分 , 27 层 HfO 2- SiO 2 反 射 膜 堆 , 尽 管 具 有 很 高 的 损 伤 阈 值 , 但 中 心 波 长 处 的 最 高 反 射 率 仅 为 99.93% , 而且反射带宽很窄。对于采用反应溅射沉积 制 备 HfO 2 、Nb 2O 5 和 SiO 2 , 在 靶 材 成 本 和 沉 积 时 间 上 有很大差别, 具体参数如表 1 所示。高纯度金属 Hf 靶 的 价 格 是 金 属 Nb 靶 的 7 倍 , 从 沉 积 时 间 上 比 较 , Hf 的 沉 积 速 率 是 Nb 的 1/2 , 而 且 Nb 2O 5 (n =2.35) 的 折 射 率 是 HfO 2 (n =1.96) 的 1.2 倍 , 所 以 采 用 HfO 2 - Nb 2O 5 - SiO 2 多 材 料 膜 系 结 构 , 取 长 补 短 , 在 满 足 薄 膜 光 谱 特 性 和 损 伤 特 性 的 条 件 下 , 可 以 减 少 镀 制 时 间 , 降 低 成 本, 真正做到工程最优化设计。
图 2 反
机械工程学报英文
射 膜 堆(HL )13H 光 谱 透 射 率 曲 线
图 3 反 射 膜 堆 (HL)13H 电 场
强 度 分 布 曲 线
Fig.3 Electric field distribution
curve for high reflectivity film glass / (HL ) 13H/ A ir
Fig.2 Spectra transmittance curve
for high reflectivity film glass / (HL ) 13H/ A ir
强度峰值大于 10 V/m 的有 4 个部分, 主要分布在最
外侧的 8 层高低折射率膜层交界处, 最易发生激光 损 伤。 按照上述设计方法, 采用 HfO 2- SiO 2 多层膜对易 损 伤 部 分 进 行 替 换 , 膜 系 结 构 : glass / (HL)10 2L (ML)3 M 2L / Air , M 为 HfO 2 高 损 伤 阈 值 材 料 , 经 过 计算, 新的膜系结构在中心 波 长 1 064 nm 处 的 反 射 率为 99.992 6% , 相比于只采用 Nb 2O 5 的 膜 系 在 反 射 率上 仅降低了 0.002 8% , 仍能够保证大于 99.99% 的 高反射率要求, 如图 4 所示, 但在抗激光损伤能力上, 由 于 使 用 高 性 能 的 HfO 2- SiO 2 多 层 膜 组 合 , 将 会 有 很 大的提高。从 图 5 的驻波场电场强度分布可以看出,
表 1 采用反应溅射沉积薄膜的性能参数 Tab .1 Mater i al par a meter s by sputter i ng deposition Material
HfO 2
Nb 2O 5
SiO 2
Symbol
M H L 1.96
2.35
1.465
Refractive index n (λ=1 064 nm )
1×10 - 5 2.0×10 - 5 Extinction coeff i cient k(λ=1 064 nm ) 2.2×10- 6
Damage threshold
High Low High Sputtering deposition rate (nm / s ) 0.18 0.31 0.22 Target cost (ten thousand yuan )
9.0
1.2
0.58
4 结 论
通 过 对 激 光 高 反 射 膜 的 光 谱 性 能 和 损 伤 原 因 进
行分析, 设计出一种高反射率、高损伤阈值 激光薄膜: 对 3 种 材 料 进 行 组 合 , 根 据 材 料 光 学 特 性 、损伤特性 的不同, 取长补短, 采用 HfO 2- Nb 2O 5- SiO 2 多 材 料 膜 系 结构, 即采用 Nb 2O 5- SiO 2 膜堆达到高反射率的要求 , 在 该 膜 堆 的 最 外 部 分 叠 加 HfO 2- SiO 2 膜 堆 , 做 到 用 较 少 的 膜 层 数 , 达 到 高 反 射 率 要 求 , 同 时 提 高 薄 膜 的 抗 激 光 损 伤 能 力 , 这 种 设 计 方 法 物 理 概 念 清 晰 , 理 论 推 导简单, 有很强的实用价值。
图 4 组合膜堆(HL)10 2L (M L)3 M 2L 透 射 率 曲 线
Fig.4 Spectra transmittance curve
for combination hig h reflectivity film (HL ) 10 2L (ML)3 M 2L
图 5 组合膜堆(HL)10 2L (ML)3 M
2L 电 场 强 度 分 布 曲 线
Fig.5 Electric field distribution
curve for combination hig h reflectivity film (HL ) 10 2L (ML)3 M 2L
电 场 强 度 较 强 的 部 分 都 分 布 在 具 有 极 高 抗 激 光 损 伤
阈值的 HfO 2- SiO 2 膜层中, 易发生损伤的 Nb 2O 5 膜层 最 高场强峰值 只 有 6.5 V/m, 这 种 设 计 在 保 证 膜 系 高 反 射 率 的 光 谱 特 性 下 极 大 地 提 高 了 其 抗 激 光 损 伤 性 能 。对 于 单 独 使 用 HfO 2- SiO 2 多 层 膜 系 , 也 进 行 了 计
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式中: T
a
为大气光谱透过率; R 为目标至红外探测器
的距离; I 为目标红外辐射强度, 当红外辐射通过烟幕
气溶胶时, 被烟幕气溶胶所散射和吸收而消弱, 其规
律符合Lambet- Beer 定律, 即:
- M Cs
I=I0e(11)
式中: I 为通过烟幕后的辐射强度; I
为通过烟幕前的
辐射强度; C 为烟幕浓度; S 为红外辐射通过浓度C
的光程; M C 为消光系数。
从公式(9) ～(11) 可看出, 当烟幕的浓度增大时会
使得红外导引头系统的信噪比减小; 当烟幕浓度增大
到一定程度, 导引头的信噪比小于系统工作的最低灵
敏度时, 导引头将不能正常工作, 从而捕捉不到目标。
3结论
烟幕对红外制导系统的视频信号处理系统及跟
踪系统都能实现有效地干扰, 烟幕气溶胶微粒对红外
能量的消弱作用将使得成像系统的信噪比下降, 成像
跟踪系统的任何一部分受到干扰都会使其不能正常
工作, 因此烟幕是对抗红外制导武器的有效手段。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ( 上接第186 页)
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