光学薄膜--范正修.
超高阈值Pick-off反射镜的研制
第12卷 第3期强激光与粒子束V o l .12,N o .3 2000年6月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Jun .,2000 文章编号: 1001—4322(2000)03—0285—04超高阈值P ick -off 反射镜的研制Ξ 付雄鹰, 王建永, 丁 俊, 刘民才 范正修 (成都精密光学工程研究中心,成都610041) (中国科学院上海光机所,上海201800) 摘 要: 采用水中抛光技术抛制了90mm ×60mm ×10mm 的K 9玻璃基片,表面粗糙度达1nm 。
在A PS 1504镀膜机上,摸索了电子束蒸发镀膜的最佳工艺条件,较稳定地在该超光滑玻璃表面上镀制了对波长1054nm 、入射角45°、反射率R ≥99.5%的反射膜。
膜层的抗激光损伤阈值可达26J c m 2(1054nm ,1n s ),镀膜后该玻璃基片反射波前可达Κ 10(p 2v ),最终制备了超高阈值p ick 2off 反射镜。
关键词: 激光损伤阈值; 反射波前; p ick 2off 反射镜; 电子束蒸发; 水中抛光 中图分类号: TN 24 文献标识码: A 随着高功率激光器对输出功率的要求越来越高,同时要求器件的小型化,这显然将光学元器件承受的激光能量密度逐渐推向极限。
特别是对激光薄膜的要求更亦如此,如美国LLNL 将建造的N IF 激光器,对装置中部分大口径的反射元件要求抗激光损伤阈值大于18J c m 2(1054nm ,3n s ),对薄膜偏振分光镜要求阈值大于18J c m 2(1054nm ,3n s ),对一些透镜要求阈值大于30J c m 2(1054nm ,3n s )[1]。
我国将建造的“神光 ”激光器,对部分小口径的反射元件要求阈值大于30J c m 2(1054nm ,1n s ),如多程放大器系统中的p ick 2off 反射镜。
Mo／Si软X射线多层膜的界面粗糙度研究
本文 在相 同条 件下制 备 了不 同周期 数 的 Ｍｏ Ｓ 多层膜 ， ／ｉ 由于较 少周期 多层 膜 的新 鲜 表 面近 似 于较 多 周期
多层膜 的内界 面 ， 过原 子力 显微镜 研究 了这 些 多层膜 的表 面粗 糙度 ， 通 近似 地得 到 了多层膜 内界面粗 糙 度的变
化 规律 。
面 ， 过 原 子力 显 微 镜 研究 了 多层 膜 界 面 粗 糙 度 随 膜 层 数 的 变 化 规 律 。并 在 国家 同 步 辐 射 实 验 室 测 量 了 各 多 通
层 膜 的软 ｘ射 线 反 射 率 。研 究 表 明 ： 着 膜 层 数 的增 加 ， 随 Ｍｏ膜 层 和 Ｓ 膜 层 的界 面粗 糙 度 先 减 小 后 增 加 然 后 再 ｉ
ｌ 试
验
’
Ｉ Ｉ射 线 多层 膜 的制 备方 法通 常有 ３种 ： 电子 束蒸 发 、 子束 溅 射 和磁控 溅 射 。磁 控溅 射 法 的溅 射 速率 离
稳定 ， 片不 需要 加 热 ， 基 所镀 膜层 致 密 附着 力 强 ， 宜 镀制 膜 层较 薄 、 适 膜厚 均 匀 的软 Ｘ 射 线 多层 膜 。本 文采 用 对靶 磁控溅 射镀 膜 系统制 备 了不 同周 期数 的 Ｍｏ Ｓ 多层 膜 ， ／ｉ 本底 真空 ３ ０ Ｐ ， 射 气压 ０ ５Ｐ ， 射 气体 ×１ 一 ａ 溅 ． ａ 溅 为 Ａｒ ， 靶 和 Ｓ 靶 的纯 度均 为 ９ ． ９ 。 气 Ｍｏ ｉ ９９ 所制 备的 多层膜 的设计 中心波长 是 １ ． ｍ， 计 入射角 度是 １ 。 ３ ５ｎ 设 ５ 。基底 为 均方根 粗糙 度 ０ ８ｎ 的 Ｋ 玻 ． ｍ 。
Ｍｏ Ｓ 软 Ｘ射 线 多层 膜 的界 面 粗 糙 度研 究 ／ｉ
光学薄膜技术及其应用
光学薄膜技术及其应用张三1409074201摘要：介绍了传统光学薄膜的原理，根据薄膜干涉的基本原理及其特点，介绍了光学薄膜的性能、制备技术，研究了光学薄膜在的应用和今后的发展趋势。
关键词：光学薄膜、薄膜干涉、应用、薄膜制备引言：光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。
光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用，光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。
本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。
正文：1.光学薄膜的原理光学薄膜的直接理论基础是薄膜光学, 它是建立在光的干涉效应基础上的、论述光在分层介质中传播行为。
一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上、下表面分别反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉。
该理论可以比较准确地描述光在数十微米层、纳米层甚至原子层厚的薄膜中的传播行为,由此设计出不同波长、不同性能、适应不同要求的光学薄膜元件。
2.光学薄膜的性质及功能光学薄膜最基本的功能是反射、减反射和光谱调控。
依靠反射功能, 它可以把光束按不同的要求折转到空间各个方位；依靠减反射功能，它可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致, 完美地实现现代光学仪器和光学系统的设计功能；依靠它的光谱调控功能, 实现光学系统中的色度变换, 获得五彩缤纷的颜色世界。
不仅如此, 光学薄膜又是光学系统中的偏振调控、相位调控以及光电、光热和光声等功能调控元件, 光学薄膜的这些功能, 在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到充分的应用, 促进了相关技术和学科的发展。
3.传统光学薄膜和新型光学薄膜3.1传统光学薄膜传统的光学薄膜是以光的干涉为基础。
1064nm高反膜与减反膜的激光预处理研究
损伤阂值是不依赖丁．辐照的激光脉冲数目的，并且在激光预处理后也没有表现出明显的闽值增强效果。
控∞侣ｍ
Ｈ幢ｍ
８
一．仨３：卜０
６
４
２
Ｏ
图２．预处理前后样品的损伤闽值结采
３．２．损伤形貌分析
图３是在激光预处理前后样品的典型的损伤形貌。
可以看出，所有的损伤行为都是缺陷导致的损伤，但不同类型薄膜的损伤形貌义存在较人的差异。
高反膜是以缺陷为中心发展成的一个平底坑装破斑，并且达到同样的破坏程度，激光预处理后的样品所需能量密度要高丁朱处理样品。
减反射膜的损伤行为是以缺陷为中心发展形成的烧蚀状。
图３．样品的损伤形貌
—．２８９—．。
提高光学薄膜激光损伤阈值的途径
提高光学薄膜激光损伤阈值的途径占美琼【摘要】光学薄膜是激光系统中非常重要而又非常薄弱的元件,其激光损伤问题一直是限制激光系统向高功率、大能量方向发展的"瓶颈"之一.简要介绍了提高光学薄膜的激光损伤阈值的方法,如激光预处理、加镀保护膜层、缓冲层、驻波场、温度场设计、离子后处理等.【期刊名称】《上海第二工业大学学报》【年(卷),期】2010(027)004【总页数】5页(P304-308)【关键词】光学薄膜;激光损伤阈值【作者】占美琼【作者单位】上海第二工业大学理学院,上海,201209【正文语种】中文【中图分类】O4840 引言随着各种高功率激光系统输出功率的不断提高，光学薄膜在激光应用和发展中发挥越来越重要的作用[1-2]。
作为激光系统中的重要组成部分，光学薄膜相对于其它元件具有较低的抗激光损伤阈值，是激光系统中非常重要而又最易损伤的薄弱环节。
它一旦遭到破坏，不但会使光束质量降低，阻碍系统的最优化性能发挥，严重时还会产生连锁反应，导致其他光学元件的损伤，最终导致整个激光系统无法工作。
长期以来，高功率激光对光学薄膜的损伤一直是限制激光向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”之一，也是影响高功率激光薄膜使用寿命的主要因素之一[3]。
同时，超强超快激光的发展，对光学薄膜的激光损伤阈值提出了更高的要求。
多年以来，人们开展了很多提高不同波段光学薄膜的激光损伤阈值的研究。
下面对相关研究结果作简要介绍。
1 提高光学薄膜激光损伤阈值的途径1.1 激光预处理以低于薄膜损伤阈值的激光辐照光学薄膜可使其损伤阈值提高，称之为“激光预处理”[4]。
早在80年代，这方面的研究工作就已经开展了，而且研究发现通过基频激光预处理提高薄膜损伤阈值的效果非常明显。
Arenberg 等人研究得出，1064 nm波长上的激光预处理使薄膜损伤阈值提高40 %，但波长到了532 nm，薄膜损伤阈值没有明显影响[5]。
90年代初期美国LLNL实验室也开展了激光预处理的研究。
电子束蒸发氧化锆薄膜的粗糙度和光散射特性
电子束蒸发氧化锆薄膜的粗糙度和光散射特性
"） # "） "） 侯海虹!） 孙喜莲!） 申雁鸣!） 邵建达!） 范正修!） 易 葵!） （中国科学院上海光学精密机械研究所， 上海 !） （中国科学院研究生院， 北京 "） "$!%$$） !$$$&’）
（"$$( 年 ) 月 "$ 日收到； "$$( 年 !" 月 !" 日收到修改稿）
利用电子束蒸发工艺， 以 *+ 层为衬底， 沉积了中心波长为 ,&"-%./ 的氧化锆 （ 012" ） 薄膜， 膜层厚度在 %$— 随着膜层厚度的逐渐增加， 3%$./ 范围内变化 4 研究了不同厚度样品的粗糙度变化规律和表面散射特性 4 结果发现， 其表面均方根 （567） 粗糙度和总积分散射 （897） 均呈现出先减小后增大的趋势 4 利用非相关表面粗糙度的散射模型 对样品的 897 特性进行了理论计算， 所得结果与测量结果相一致 4
［!)—!’］ 和光学外差干涉法等 4 其中 897 法具有仪器结
氧化锆 （ 012" ） 是可见光区的一种高折射率光学 薄膜材料， 具有很好的热稳定性、 化学稳定性和机械 特性， 可被广泛应用于光学和电化学器件等重要领
［!—3］ （或界面） 粗糙 域 4 实际应用中， 012" 薄膜的表面 ［(—)］ 度是影响薄膜材料性能的重要因素 对于 4 例如，
[
.%-
]， 0
.%- 和 2 %- 分别为菲涅耳振幅反射系数和透射系数 .%- . 2 %- . $% 1 $ ， $% / $ ! $% ， $% / $ 5 2%
（"%） （"6）
第二篇 光学薄膜分类及应用
（5-8）
在滤光片串联放置 方式，并联放置即把两个滤光片并排放置在一起，如图 5-2（c）所示。串并联组合滤光片 的有效谱透射率为
a b c d T ( Ta Tb Tc Td ) （5-9） A A A A 式中 A 为滤光片的总透光区面积； a 、 b 、 c 、 d 分别为四个支透射区的面积； Ta 、 Tb 、 Tc 、 Td 分别为四个支透射区的透射率。四个支透射区域的透射率为
T
T 1T 2 1 R1 R 2
（5-4）
且 T1 和 R1 满足关系
T1 R1 1
如果 R1 很小， R1 R2 1 ，利用级数展开式
（5-5）
1 1 x x 2 x 3 x 1 1 x
有近似关系
（5-6）
T [1 R 1 (1 R 2 ) ]T 2
2
由此得到，基底非相干叠加的总透射率为
T
IT T1T2 （5‐3） I 0 1 2 R1 R2
式中 T1 表示 3.3 节中得到的膜系透射率。当已知两界面的反射率 R1 和 R2 ，界面 2 的透射率 和基底介质的吸收率 时，由式（5-3）就可得到光学系统的总透射率。 如果膜层和基底介质无吸收，内透射率 1 ，那么
n n2 G （5‐16） n1 n0
而单层零反射条件为
n1 n0 nG （5‐17） n n n 0 G 2
Ge 玻璃 Si 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
相对波数 (0 )
图 5‐5 不同基底介质镀单层膜的反射率曲线
(0 )
5
中科院能量转换材料重点实验室揭牌
『１ 炳 琨 ，高 以智 ，陈倜 嵘 ， ． 光 原 理【 ． 京 ： 防 工 业 出 版 社 ， ０ ７ ２周 等 激 Ｍ１北 国 ２０ ． 『１ ３ 张靖 周 ． 高等 传 热 学ｆ ． 京 ： 学 出 版 社 ， ０ ９ Ｍ１北 科 ２０ ． 【］ ｏｐｒ ４ Ｈ ｐ ｅ Ｗ，Ｕ ｈ ａｎＤＲ ａｈ ｎ ｍｏ ｃ ｓ ｎ ａ ａｅｎ ａｅ ａｓ Ａ ｐ ｈ ｓ １７ ４ （ ） ０ ３４ ３ ． Ｒ ｈ ｎｎ ｜Ｍ ｃａ ｉ ｉ ｌ ｉ ｍ ｇ ｓｒ ｌ 忉． ｐ Ｌ ｙ． １ ： ２－ ０ ７ ｓ ｆｎ ｕ ｏ ｄ ｉｌ ｇ ｓ Ｐ ，９ １ ４ ０ ［］ ｏ ｕｏ ， ａ ｅｋ ｖＡ Ａ， ｏｏ ｌ Ｉ ． ｈｏｙｏ ｓｒ ｎ ｕｅ ａ ａｅｔ ｏｔ ａ ｃａ ｎ ： ｅ ｅｄｎ ｅｏ ５ Ｋ ｌ ｎｖＭ Ｆ Ｍ ｎｎ ｏ Ｐ ｋ ｔ Ｌ Ｔ ｅｒ ｆ ａｅ ｉｄ ｃｄｄ ｍ ｇ ｐｉ ｌ ｏ ｔ ｇ ｄ ｐｎ ｅｃ ｆ ｄ ｉ ｏ ｌ ｏ ｃ ｉ
中 国科 大 副校长 朱长 飞表 示 ，中国科 大将 一如 既往 地对 实验 室给 予大 力支 持 ，并 就实 验室 今后
的建设 与发展 、中国科大 和上 海硅 酸盐所 的合作 与交 流等方 面提 出 了希望 。 实 验 室学 术委 员 会 主任 —— 中科 院 物理 研 究所 陈立 泉 院士 和 罗宏 杰 、朱 长 飞共 同为 实 验 室揭
中科院 能量转换材料重 点实验 室揭牌
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10
理想光学薄膜
光学薄膜
改变光束切向方向－薄膜波导 改变光束法向方向－光学薄膜
355nm
1064nm
薄膜波导
增透薄膜
高反射薄膜
11
理想光学薄膜
薄膜光性计算方法
等效界面法 矩阵法
等效界面法
12
矩阵法
界面的透射及反射系数： n0 n1 2n0 r0 t n0 n1 0 n0 n1
பைடு நூலகம்
第一个界面处的电场关系：
1 1 r0 E1 E 0 ＝ t 0 r0 1 E1 E0
薄膜内部的电场关系：
E1ei1 E1ei1 E2 E2
nE e
i1 1 1
n1E1ei1 n2 E2 n2 E2
应用领域
光学薄膜 电学薄膜 半导体薄膜 磁性薄膜 生物薄膜
4
薄膜光学形成发展历史
17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（Robert Boyle and Robert Hooke） 1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 1816 Fresnel 发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理 论及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论 1817 Fraunhofer制成了第一块减反薄膜 1873 Maxwell提出了Maxwell方程（A Treatise on Electricity and Magnetism）
5
1886 Rayleigh 证实了Fresnel反射定律 1899 Fabry-Perot 干涉仪 1932 Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部 反射 1934 Bauer用卤化物制备了减反薄膜 1934 Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜
m g T g1 1 t g t e 1 4 L m1 m! m
薄膜内部电场方向符号表示
13
矩阵法
依次类推：
E E
0 0
i i e 1 ii = m i 0 re i t i m i 0
i i a b re E Em1 i m 1 i i c d e 0 0
*
T
0 Re( m 1 ) ( 0 B C )( 0 B C )*
0 Re( BC * m ) A ( 0 B C )( 0 B C )*
18
光学薄膜的散射
光学薄膜的表面散射
光学薄膜的体散射
19
光学薄膜的表面散射
表面统计参量
均方根粗糙度（RMS） 相关长度 高度分布函数 自协方差函数（ACF）
表面散射处理方法
标量理论－散射总损耗问题 矢量理论－研究散射的角分布
4 s ~ R0
2
dp Fg(k k 0 ) p0 d
20
光学薄膜的表面散射
散射引起界面反射及透射系数变化
m T g g rg r e 1 4 L m1 m! m
n
ˆ n ik n
折射角由实数变为复数： cosˆ j COR j iCOI j
等效导纳由实数变为复数；
反射系数和透射系数 …..
膜层厚度引起的位相差…..
16
光学薄膜吸收
反射系数
透射系数
r (n0 n1 ) i(k0 k1 ) i (n0 n1 ) i(k0 k1 )
7
主要内容
薄膜概况
光学薄膜一般性质
光学薄膜在一些光学系统中的应用
激光对光学薄膜的破坏
8
光学薄膜一般性质
理想光学薄膜
光学薄膜吸收及散射 折射率不均匀性和折射率渐变薄膜 薄膜的各向异性和双折射薄膜 薄膜的偏振和消偏振特性
9
薄膜的相位及位相薄膜
等效折射率、等效导纳和等效界面 薄膜的色散及色散补偿 薄膜的应力及应力控制
1939 Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片
6
光学薄膜概况
薄膜特点
干涉原理，相干相长与相干相消
重要性
“有光就有膜” 涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统， 光学系统，大型激光装臵等
面临问题
涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特 性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉 积技术少，沉积过程控制水平不高等；
可以得到： 设： 则
Em 1 1 t a E0
c c1 ic2
,
a a1 ia2
a1c1 a2 c2 ia1c2 a2 c1 r
2 a12 a2
a1c2 a2 c1 tg r
a1c1 a2 c2
1 T 2 2 a1 a 2
14
a1c1 a2c2 2 a1c2 a2c1 2 2 R r 2 2 2 a1 a2
光学薄膜吸收
材料吸收
共振吸收 单光子吸收 自由电子吸收 杂质吸收 色心吸收 声子吸收 多光子吸收
15
光学薄膜吸收
折射率由实数变为复数：
2(n0 ik0 ) t i (n0 n1 ) i(k0 k1 )
17
势透过率与薄膜吸收损耗
势透过率
反射率 透射率 吸收率
T T 1 R TA
B C 0B C R 0 B C B C 0 0
光学薄膜及其应用
范正修
2006年10月26日
1
主要内容
薄膜概况
光学薄膜一般性质
光学薄膜在一些光学系统中的应用
光学薄膜的激光损伤
2
主要内容
光学薄膜概况
光学薄膜一般性质
光学薄膜在一些光学系统中的应用
激光对光学薄膜的破坏
3
薄膜概况
研究领域
薄膜物理 薄膜化学 薄膜材料 薄膜力学