中紅外波段光學薄膜的研制

1、中紅外激光器光學薄膜的研制岳威 洪冬梅作者簡介：岳威，男，工程師，生于 1980 年，畢業(yè)于北京理工大學光電工程系，現于中電集團 十一所專業(yè)從事光學薄膜研究工作摘要：本文討論了中紅外波段激光器使用的一系列光學薄膜的設計方法和制備工藝。 膜系類型 涉及截止濾光膜、增透膜與高反膜，根據對稱匹配膜層的理論 , 利用計算機膜系設計優(yōu)化軟件 對膜系進行優(yōu)化后 , 得到了損耗小、利于制備、重復性好的膜系結構，并且在完成屢次實際制 備過程后，分析了離子束預處理和離子源輔助蒸發(fā)對膜層的影響，確定最優(yōu)參數的設定值后取 得了較好的效果。關鍵詞: 光學薄膜 ; 中紅外; 對稱匹配層 ; 計算機優(yōu)化；離子源Resea

2、rch of optical films for middle infrared lasersYue Wei Hong DongmeiAbstract: A series of techniques for optical thin films at middle infrared band are discussed in this paper, including edge filters ，high reflection and antireflection coatings. According to the analytical theory of designing symmetr

3、ical match layers, the coating designs of low loss and high reliability have been developed based on the using of computer coating optimization software. At the same time, the influences of pretreatment and plasma source also have been analyzed in the course of preparation and good results have been

4、 gotten.Key words: optical films; middle infrared; symmetrical match layers; computer coating optimization; plasma source引言眾所周知，3-5微米的中紅外波段是重要的大氣窗口，也是軍用紅外探測器的主要工作區(qū)域，該波段激光對大霧、煙塵等具有較強的穿透力，在海平面上傳輸受到的氣體分子吸收和懸浮物散射的影響很小。紅外制導導彈探測器 如InSb ,HgCdTe等的響應范圍在35 口 波段，因而針對紅外導引頭的光電對抗迫切需要該波段的激光器件。在軍事上，中紅外激光器主要用于光電對抗以及

5、生化戰(zhàn)劑的探測，用中紅外波段的多束激光，可以干擾紅外熱尋的導彈， 摧毀在不同距離和高度的目標。近年來，針對中紅外波段激光器的研究課題逐漸成為了熱點， 而光學薄膜也恰是激光系統(tǒng)中不可或缺的重要組成局部。本文所涉及到的幾種光學薄膜應用如 下列圖所示。泵浦源隔離器透鏡3-5 gOPO圖1中紅外激光器件與其光學薄膜1、輸入鏡 M1(CaF2):1.06 gAR 2.12 pm HR;2、KTP 晶體：1.06 pm&2.12 pmAR;3、輸出鏡 M2(CaF 2): 1.06 pmHR 2.12 pm 局部 T;4、輸入鏡 M3(CaF2): 2.12 pmAR 3.5-4.5 pmHR;5

6、、ZnGeP 2 晶體：2.12 pmAR 3.5-4.5 pmAR;6、輸出鏡 M4:2.12 pmHR 3.5-4.5 pm 局部 T在激光器件中，光學薄膜構成諧振腔。在激光行波放大中，由它構成隔離、濾波、擴孔、透光器件。在激光傳輸中，由它組成反光、折光、分光、合束元件。對于激光器來說，由于光學薄膜相對于其他元件具有較低的抗激光強度，所以它的破壞閾值是系統(tǒng)設計的重要依據和最大限 制。因此,改良光學薄膜的性能，減少其損耗,提高破壞閾值,是激光器研究的重要課題。對于中紅 外波段的激光器,對光學薄膜又提出了新的要求：既要適用于中紅外波段，又要使用抗激光損傷 的薄膜材料并改善制備工藝，以提高損傷閾

7、值，同時還要滿足其光譜特性。本文針對幾種中紅外波段的光學薄膜進行了理論分析和優(yōu)化設計，并在此根底上從改善制備工藝的角度進行了探討，對薄膜和激光器的實驗工作有一定參考價值。二、膜系設計1、應用于輸入鏡的截止濾光膜以鍍制在氟化鈣基片上的2.12 gHT 3.5-4.5 pmHR為例。(CaF2單晶是廣泛應用于光電倍增管、準分子激光器以及紫外可見和紅外光學系統(tǒng)等科技領域的光學晶體，ns=1.45，透過波段：0.13 9 口; 透過率：90% ;密度：3.18g/cm3 ;楊氏模量：146.1GPa )薄膜光譜特性在2.12即 處高透射，在3.5-4.5 pm波段處高反射。優(yōu)化膜系結構常用的方法是在多

8、層膜的每一側加鍍匹配層， 使它同基片以及入射介質匹配起來。如果在多層膜與基片之間，插入一個光納為 n3的"4奇數倍膜層；而在多層膜與入射介質之間插入一個光納為n1的"4奇數倍膜層，那么只要n . nsE和厲n°E再經過膜系軟件對光譜波段優(yōu)化后 就將得到很好的匹配。abc/圖2多層膜界面的結構圖膜系初始結構為G/(HL)AS H 0.5L/AIR ，S取12，截止深度已足夠。為了防止截止濾光片半波孔的影響，取匹配波長"=3920nm。膜系根本結構在匹配波長3920nm處等效光納E=1.297需要在多層膜兩側添加匹配層。由于基底折射率ns=1.45，因此需在

9、多層膜與基底之間添加n3=1.371，位相厚度為入/4奇數倍的匹配層。利用公式算得位相厚度nd cost，并利用計算&機膜系軟件優(yōu)化后，可得在入o=392Onm 處，匹配層結構為 0.991H 0.804L 0.992H和1.121L0.963H 0.439L，那么膜系的完成結構為：G/0.991H 0.804L 0.992H LHA10 1.121L 0.963H0.439L/A, G :基體ns=1.45 ，A :空氣n0=1 。圖3為設計光譜曲線，實測指標為：T2.12 99% R 3.5-4.5 為9.5%圖 3(2.12 pmHT 3.5-4.5 pmHR)2、應用于調制晶體

10、的雙波段增透膜以鍍制在ZnGeP2晶體上的2.12 口&3.5 4.5 gAR為例。ZnGeP 2晶體具有寬的透明范圍0.712 pm,較大的非線性系數d36=75pm/V,最高損傷閾值能量密度為10J/cm2,較高 的熱導率0.18W/m ?K,因而非常適合作為高功率中紅外光參量振蕩器 OPO晶體。設計了 在中紅外雙波段范圍內剩余反射w 0. 01%的增透膜。增透范圍寬，能防止基底材料帶有一定曲 率、測量誤差等造成的測量光譜曲線與實際使用曲線不吻合的缺點，并提高了制備重復性。雙波段很好的滿足了激光器件對光譜特性的要求。盡管現在計算機設計優(yōu)化方法非常有效，但這 并不能代替利用經典的分析

11、方法計算出一個好的膜系初始結構，因為這個初始結構或者效果已經很好，能滿足目標要求；或者這個初始結構已經很接近設計的目標值，這時在計算機軟件的幫助下，我們就能快捷方便地計算得到一個更加合理的膜系結構。圖4顯示了在ZnGeP 2晶體上鍍2.12 口&3.5 4.5 pmAR雙波段多層增透膜的設計曲線。圖示即是從傳統(tǒng)的分析方法入手，設計初始結構為入/4膜系，再利用入/2的虛設層概念，插 入n2的虛設層，n2d2= "2,在中心波長兩側得到兩個反射率為零的點之后，計算優(yōu)化得到的非入/4 膜結構:G/0.634H0.400L0.422H1.367L/Air，其中 n；n0 n 2)(厲

12、 n 2) n n： = 02mnong,n。是基底和入射介質的折射率。設計波長在2600nm ,為了產生零剩余反射，第一層膜的折射率理論上應該滿足:(nix n3)/n：= ng1/2。實測指標為:T2.12為5%, T 35-45為5%3、應用于輸出鏡的高反射膜以鍍制在氟化鈣基片上的2.12 pmHR 3.6 4.4 m T=50%為例。全介質高反射膜最重要的 應用是在激光領域，比方高功率激光器、激光陀螺儀、激光核聚變等都要求薄膜有盡可能低的 吸收散射和有盡可能高的反射率。理論上每增加一個介質膜對，可使透射率縮小(匹)2倍，但nH反射率趨于100 %時，增加膜對提高的反射率就缺乏以補償由此

13、帶來的吸收和散射損失，同時反射帶的寬度并不增加，只是增大了反射帶兩側波紋振蕩的數目。由反射帶寬公式 g =-si n4(nH譏)選擇設計波長2060nm，在CaF2基體上鍍制不同中心波長的高反射膜兀nH + nL系，減少3.64.4 pm波段的膜對，并針對(HL)A12 (1.88H 1.88L)A2 1.88H的初始結構和部 分透過T=50% 的目標進行優(yōu)化，最終得到 0.875H 0.813L 1.672H (LHF10 1.954L 3.005H1.213L 0.837H 的結構，如圖5所示。實測指標為:T2.120.01%, 49% 之95%嶼1%圖 5(2.12 pmHR 3.64.

14、4 pm T=50%)三、制備工藝1、離子束清洗預處理定向離子清洗可有效去除二次污染、 增加基片外表結合能、控制基片外表粗糙度和外表形貌，是一種有效改善基片外表性質的處理方法。1008060402000481216 20 24 28 32 36402Fluence(J/cm )FB-12ns=18J/cm22FA-12ns=9.6J/cm a圖6 A基片未經離子束清洗B基片經過離子束清洗鍍膜設備為具有冷凝泵系統(tǒng)、行星轉動裝置和APS離子源的德國LEYBOLD設備。采用電子槍蒸發(fā)材料，石英晶體控制蒸發(fā)速率和膜厚。H層蒸發(fā)速率為0. 3nm /s, L層為0.6nm /s。(b) Post-tre

15、ated(a) As-deposited圖7離子處理后外表粗糙度明顯降低也是激光損傷閾值升高的原因之一。為提高高功率激光薄膜的抗激光損傷能力，用 APS離子源在不同清洗參數下對CaF2 基片進行了清洗，在光學顯微鏡下驗證了基片的二次污染和離子的清洗效果， 最終找到了適 用于中紅外波段光學薄膜的理想離子源參數設定。如下表所示。發(fā)射電流(A)輝光電壓(V)功率(KW)偏置電壓(V)環(huán)流(A)80.91.24真空度均在3 x10-3Pa;溫度為130 C ;充氣量為8.0 seem表1離子束預處理的APS源參數2、離子源輔助沉積在傳統(tǒng)的蒸發(fā)技術中，熱蒸發(fā)(電阻熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)

16、)仍然是光學薄膜大量生產的 主要手段，廣泛用于光學薄膜的鍍制，但由于凝聚粒子的能量低，熱蒸發(fā)薄膜的堆積密度較 低，具有明顯的柱狀結構，造成膜本身不穩(wěn)定，光機性能的蛻變和降低。用LEYBOLD設備的APS離子源在基板和蒸發(fā)源間可以建立穩(wěn)定的等離子區(qū)，由于外 來離子對凝聚中粒子的動量傳遞， 使得凝聚粒子的移動性增加，材料原子在通過等離子區(qū)的 時候被加速而獲得能量，從而導致高的堆積密度。高能離子的轟擊使基板得到了清潔，獲得了高溫，促進了膜層材料的外表擴散和化學反響，甚至產生了注入效應。這不僅可以改良薄發(fā)射電流(A)輝光電壓(V)功率(KW)偏置電壓(V)環(huán)流(A)50 . 2112 . 85. 71

17、24 . 41.73真空度均在2.4 xi0-3Pa;溫度為150 C ;充氣量為16 sccm表2輔助沉積的APS源參數膜的致密性、均勻性和穩(wěn)定性，克服陰影效應以提高薄膜的折射率和損傷閾值，在適當的條件下，還可以有效地降低薄膜的吸收。m ppc.ec nnablosD A20.1J/cm2028.6J/cm27.4J/cm5.6J/cm20ABCDSamples圖8 A:電子槍蒸發(fā)材料,B,C,D:離子束反響輔助沉積四、小結近來，美國TRW公司的中紅外激光器輸出功率已到達 24W，我所相關的輸出功率超過了6W。國防高級研究方案局也宣布，開發(fā)高效中波紅外激光器的資金已經到位。這個名為EMIL的

18、工程將使在室溫下工作的連續(xù)中波紅外激光器的效率在現有的水平上再提高一個數量級，即到達50%以上。目前中波紅外激光器的效率很低，最多只有百分之幾，并且在室溫下的工作特 性也不理想。相反，今天的近紅外半導體激光器可以在室溫下產生高功率輸出，并且具有很好 的光束質量，其效率超過 50%本文所涉及到的幾種薄膜，已經成為了中紅外激光器件研究不可或缺的完整配套局部。目 前，這一整套的薄膜都已經良好地應用于激光器相關的課題研究工作中，為下一步大功率的中 紅外激光器件的研究提供了有力的保障。我國在中紅外固體激光技術方面的研究處于根底階段，目前與國外相比還有差距。作為中 紅外激光器的重要支撐技術，開展相應的光學

19、薄膜技術研究勢在必行。該項研究涉及到的環(huán)節(jié) 很多，在膜層的材料、應力、缺陷、外表形貌、基底特性、溫度場影響和損傷閾值等多方面都 還需要做進一步大量的工作。參考文獻1 M.R.Kozlowski,I.M.Thomas. High-power optical coatings for a mega-joule class ICFlaserJ.SPIE.1992,Vol.1782:105-119.2 Trnch R J , Kozlow skiM R, Chow R. Investigation of microstructure of coatings for highpower lasers b

20、y nonoptical techniquesA .Proc of SP IEC . 1994, 2253: 596602.3 Wu Z L , Fan Z X , Schafer D. In Situ Investigation of Laser Conditioning of Optical CoatingsJ . SPIE ,1991 ,1624 :362 374.4 Kozlowski MR , Wolfe C R , Staggs M , et al . Large Area Laser Conditioning of DielectricThin Film MirrorsJ . SPIE ,1989 ,1438 :376392.5 Fournet C, Pino t B, Geenen Betal . High damage threshold mirror and polarizers in theZrO2 SiO2and HfO2 SiO2 dielectrics system s. P roc. S P IE , 1991, 1624282 2936 Guenther K H. 1064