多层介质滤光片的制备及激光损伤特性

杭良毅,徐均琪,宋岩峰,苏俊宏,基玛·格拉索夫

(1.西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，西安 710021；2：西安现代控制技术研究所，西安 710065；3.白俄罗斯国立信息与无线电电子大学，明斯克 220013)

多层介质滤光片的制备及激光损伤特性

杭良毅1,徐均琪1,宋岩峰2,苏俊宏1,基玛·格拉索夫3

(1.西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，西安 710021；2：西安现代控制技术研究所，西安 710065；3.白俄罗斯国立信息与无线电电子大学，明斯克 220013)

为了获得具有较高激光损伤阈值的短波通截止滤光片，使用TFCalc膜系软件设计了多层膜的光谱曲线和电场强度曲线，采用电子束热蒸发技术在K9基底上制备了LaTiO3/SiO2组合膜堆的滤光片，通过激光辐照预处理工艺尝试提高多层膜的激光损伤阈值(LIDT)，测试并讨论了激光预处理对滤光片LIDT的影响.研究结果表明：通过分析滤光片的电场强度，得到优化后的膜系是G|(HL)10H0.5L|A，制备后滤光片的LIDT为11.7 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)；当辐照激光能量为滤光片LIDT的80%时，辐照后滤光片的LIDT为14.3 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)，较原值提高22.2%；当辐照能量为80%，采用不同辐照次数实验时，发现辐照3次后滤光片的LIDT为16.1 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)，较原值提高了37.6%.激光预处理后滤光片的表面粗糙度都有下降的趋势.

短波通滤光片；LaTiO3/SiO2；激光损伤阈值；激光预处理

短波通滤光片可以实现一部分光透过，一部分光截止的光学特性，被广泛应用于各式各样的光学系统中.存在于激光系统中的多层介质滤光片，由于其较差的抗激光损伤能力，已成为限制高能激光发展的瓶颈[1-2].随着高功率激光器地不断研发，对光学薄膜激光损伤阈值(Laser-Induced Damage Threshold,LIDT)的研究亦成为近年来材料、物理及光学领域的研究热点之一[3].

文献[4]以TiO2/SiO2材料作为高低折射率膜料制备多层膜，得到了光学特性较高的短波通滤光片，但是并未分析这种多层膜的激光损伤特性；文献[5]研究了高折射率镀膜材料钛酸镧(LaTiO3)，发现其单层膜的光学特性良好，激光损伤阈值较高，可以替代TiO2膜料制备激光薄膜，但并未研究由钛酸镧材料组成的多层膜的激光损伤阈值；文献[6]研究了不同场强分布的减反射膜在1 064 nm激光下的损伤特性，发现当薄膜-空气界面处的电场强度较小时，薄膜具有较高的激光损伤阈值.文献[7]用单台阶能量光栅扫描及R-on-1测试两种方式对532 nm的HfO2/SiO2高反膜进行激光预处理，用ND：YAG二倍频激光辐照高反膜，其损伤阈值分别提高38%和30%.文献[8]通过在HfO2/SiO2组合膜堆的增透膜两侧加镀适当厚度的二氧化硅膜层，可有效提高多层膜的激光损伤阈值.从薄膜损伤机理来看，多层介质薄膜的损伤机理主要有本征吸收，杂质缺陷吸收，雪崩击穿，多光子电离等[9].为了提高多层介质薄膜的激光损伤阈值，除了在制备时减小薄膜的表面缺陷,选用激光损伤阈值较高的膜料以外，还要关注激光在薄膜内部形成的驻波场大小，在设计时尽量使薄膜内部的电场强度值较小或将电场强度较高的部分落在激光损伤阈值高的材料层[10].另外，对制备好的样品进行适当的激光预处理，也可有效提高多层介质膜的激光损伤阈值.目前，选用LaTiO3材料作为高折射率材料制备多层膜，研究其激光损伤阈值的报道还很少.

本文为获得激光损伤阈值较高的滤光片，在结合薄膜场效应理论的基础上，选用抗激光损伤性能较好的高折射率材料LaTiO3，首先研究每种材料单层膜的激光损伤阈值，得到单层膜制备工艺，然后在此工艺下结合设计软件得到激光损伤阈值较高的滤光片，最后对滤光片进行一定的后续处理进一步提高激光损伤阈值.

1 短波通滤光片的设计和制备

在设计短波通滤光片时，除了光谱特性要达到要求之外，还要设计出LIDT尽可能高的滤光片，这就需要在设计之前选用较高阈值的材料，在设计时考虑膜系的电场强度(Electric Field Intensity，EFI)分布，在制备后选用合适的激光预处理方法.

1.1 滤光片的膜系设计

1.1.1 单层膜材料的确定

根据前期研究发现，钛酸镧(LaTiO3)薄膜的物理化学性能稳定，制备中材料不易分解，易蒸镀，且不同工艺对单层膜的光学特性影响不大，折射率和消光系数比较稳定.前期实验获得了钛酸镧和氧化硅的工艺参数[10-11]，在此参数下制备的单层LaTiO3的LIDT为16.9 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)，SiO2的LIDT为24.1 J·cm-2(1 064 nm，10 ns).因此选择LaTiO3作为高折射率材料，低折射率材料选用SiO2.两种材料的工艺参数见表1.

表1 每组材料的制备工艺

1.1.2 初始膜系设计

短波通滤光片经典膜系为G|(0.5LH0.5L)S|A，使用TFCalc膜系设计软件，尝试增加膜系周期数S，从而实现光谱特性指标.设计时要结合制备工艺来合理设计短波通滤光片，制备滤光片采用电子束热蒸发技术，膜厚监控采用光控极值法(透射式)，膜厚监控在极值点附近最为准确，膜层数越多薄膜膜厚累积误差越大.为减小多层膜累计误差，在设计多层膜初始膜系时，滤光片膜系应尽量为规整膜系，膜层数要尽可能少.

滤光片的中心波长(λ0)为1 064 nm，当周期数S=8时，即G|0.5L(HL)7H0.5L|A，得到满足光谱特性的膜系，在不影响膜层透过率情况下，去掉第一层0.5 L，即G|(HL)7H0.5L|A时，532 nm处的透过率T532 nm=99.02%，1 064 nm处的透过率T1 064 nm=3.96%，为获得较高激光损伤阈值的滤光片，需对初始膜系的电场强度进行优化设计.

1.1.3 多层膜的电场强度设计

制备多层膜时不可避免会出现误差，在层数较多时采用光控法还会产生膜厚累计误差.为减小制备时误差带来的影响，并分析其电场强度值，尝试适当的增加周期数，观察多层膜电场强度的分布情况，以获得优化后的膜系.

根据薄膜场效应理论[6]——薄膜与空气界面处电场强度越小，其抗激光损伤能力越高.使用膜系设计软件，分别设计周期数S=9，10，11和12，薄膜的透过率和电场强度值见表2，充分考虑样片的透过率、电场强度值及实验室制备条件，认为当S=11时，制备的多层膜效果较好.表2中E表示多层膜最外层和空气界面处电场强度值，Emax表示多层膜内各界面处的电场强度最大值.

表2 不同滤光片的透过率与归一化电场强度值

此时，多层膜膜系为G|(HL)10H0.5L|A，透过率和电场强度分布如图1所示，图1(a)表示入射光波(波长λ=1 064 nm)在薄膜最外层两侧形成的驻波场曲线，横坐标0左边为空气处形成的驻波场，右边从0开始表示从薄膜最外层一直到基底这一区间形成的驻波场；图1(b)表示膜系的理论光谱曲线.

为了进一步优化膜系的电场强度曲线，使膜层各界面处的电场强度分布较小，尝试了两种最常见的优化多层膜电场强度的方法：① 在最外层加入2L保护层；② 将第21层的H层用中间折射率材料Al2O3替换.实验结果发现，优化前的膜系G|(HL)10H0.5L|A是电场强度分布较好的膜系.

图1 滤光片的理论设计曲线

1.2 滤光片的制备

为避免玻璃基底粗糙度对激光损伤阈值的影响，实验基底全部选用厚度3 mm，∅30 mm的同一批次K9玻璃.采用电子束热蒸发技术在南光ZZS500-2/G型箱式真空镀膜机上进行镀制，镀膜前用3∶1的乙醇乙醚混合液清洁基片，烘干后装入真空室.滤光片的膜系为G|(HL)10H0.5L|A，H层为高折射率材料LaTiO3，L层为低折射率材料SiO2，监控波长都选择530 nm，每一层监控两个极值，膜系的中心波长设计为1 064 nm.本底真空度为3.0×10-3Pa，制备参数见表1.

1.3 制备结果

采用日立U-3501型分光光度计测量多层膜光谱曲线，得到结果如图2所示.图2中虚线表示实际测试的光谱曲线，实线表示TFCalc软件设计的理论曲线.所得到曲线实际透过率T532 nm=94.76%，T1 064 nm=0.81%；对应的理论透过率是T532 nm=95.47%，T1 064 nm=0.72%；由图2可以发现，镀制的薄膜透过率满足了设计要求且特性较好(出射介质为空气时，由于基片另一面会产生大约4.2%的反射率，因此，实测透射波长T532 nm≥91%即可).

图2 滤光片的理论透过率曲线和实际透过率曲线图

采用西安工业大学研制的激光损伤测试仪对多层膜进行激光损伤测试，测试仪激光波长是1 064 nm，脉宽10 ns，光斑直径为0.8 mm，采用1-on-1的辐照方式测试，测试系统会对滤光片的实测损伤点数与对应损伤能量密度用最小二乘法拟合，得到曲线与横坐标的交点即为样片的激光损伤阈值.测试得到滤光片的激光损伤阈值是11.7 J·cm-2，如图3所示，图3中横坐标表示薄膜的激光损伤阈值，纵坐标表示不同损伤阈值下对应的损伤斑数目.

图3 滤光片的激光损伤阈值实测拟合曲线

为了验证这一结果，采用不同能量密度的激光(1 064 nm,10 ns)辐照样片，损伤斑如图4所示.辐照的激光能量分别为60 mJ、70 mJ、80 mJ、90 mJ、100 mJ和110 mJ，从图4中可以发现，损伤斑的形貌均表现为部分脱落.滤光片在60 mJ处薄膜开始损伤，此时损伤斑较小，随着能量增大，损伤斑面积越来越大，60 mJ对应的激光能量密度是11.9 J·cm-2，符合实验测试的结果.

图4 不同激光能量辐照下滤光片的表面损伤形貌

2 激光预处理实验

研究发现，对多层膜进行合适的激光预处理可以有效提高多层膜的激光损伤阈值.其原理是：以低于薄膜激光损伤阈值的激光能量辐照介质薄膜时，薄膜材料内处于潜能级的束缚电子易被激发到导带，由于辐照能量不会损伤薄膜，被激发的电子又会衰减到更稳定的能级或与空穴结合，当使用高于激光损伤阈值的激光能量辐照时，可被激发的电子已经大大减少，从而提高薄膜的激光损伤阈值.激光器的主要可变参数有辐照脉冲次数和辐照脉冲能量等，本文对滤光片进行激光辐照预处理时，主要考虑了不同辐照次数和不同辐照能量对滤光片激光损伤阈值的影响.

2.1 辐照能量对多层膜的影响

首先研究了不同辐照能量对LaTiO3/SiO2多层膜激光损伤阈值的影响，滤光片初始的激光损伤阈值是11.7 J·cm-2，样片表面激光光斑直径是0.8 mm，即对应的辐照能量为58.8 mJ.使用ND∶YAG基频单脉冲激光(1 064 nm，10 ns)辐照样品，辐照能量分别选取其激光损伤阈值的20%(2.4 J·cm-2)，50%(5.9 J·cm-2)和80%(9.4 J·cm-2).辐照后多层膜的实测光谱曲线如图5所示.

图5 11.8 mJ、29.4 mJ和47.0 mJ激光能量辐照后滤光片的光谱曲线

从图5中发现，随着辐照激光的能量增大，短波通滤光片的光谱曲线并没有发生太大变化，重点观察532 nm和1 064 nm的光谱偏移，发现处理后滤光片在1 064 nm处透过率分别是1.42%,1.00%和1.04%，未辐照的是0.81%；在532 nm处，滤光片的透过率是92.37%，92.84%和93.42%，未处理的是94.76%，这说明采用这种激光辐照方式对滤光片的光谱曲线影响不大，接下来进行激光损伤阈值的测试，三组样片的LIDT值如图6所示.

从图6可以看出，滤光片的激光损伤阈值和辐照能量成正比，当激光预处理的能量分别为损伤阈值的20%、50%和80%时，滤光片的激光损伤阈值分别为12.5 J·cm-2，13.6 J·cm-2和14.3 J·cm-2，较未进行预处理的滤光片，其LIDT分别提高了6.8%，16.2%和22.2%.

图6 11.8 mJ、29.4 mJ和47.0 mJ激光能量辐照后滤光片的激光损伤阈值

为进一步分析滤光片激光损伤阈值和表面粗糙度的关系，使用白光干涉仪分别测试了几组滤光片的表面粗糙度，如表3所示，其中Sa表示平均粗糙度，Sq表示均方根粗糙度，一般情况下，重点考察多层膜的均方根粗糙度.可以发现，经过激光预处理的滤光片，表面粗糙度都得到了一定的改善，随着辐照能量的增加，三组样片均方根粗糙度较样片分别下降了37.44%，40.69%和39.72%.当激光能量为样片LIDT的50%左右时，激光预处理后的滤光片的表面粗糙度能获得较好的改善.

表3 不同激光辐照能量对滤光片粗糙度的影响

2.2 辐照次数对多层膜的影响

当激光预处理的能量为样片LIDT的80%时，滤光片激光损伤阈值有较好的提高，因此选用这一能量进行不同辐照次数的实验，分别辐照滤光片1次、3次和5次.滤光片的光谱曲线如图7所示.

图7 辐照1次、3次和5次后滤光片的光谱曲线图

从图7中发现，随着辐照激光的次数增多，短波通滤光片的光谱曲线会向左发生偏移，重点观察532 nm和1 064 nm的光谱偏移，发现处理后滤光片在1 064 nm处透过率分别是1.21%，1.32%和1.34%，未辐照的是0.81%；在532 nm处，滤光片的透过率是93.42%,93.36%和93.31%，未处理的是94.76%，这说明采用这种激光辐照方式对滤光片的半波长和中心波长处的透过率值影响不大，接下来进行激光损伤阈值的测试，三组样片的LIDT值如图8所示.

图8 辐照1次、3次和5次后滤光片的激光损伤阈值Fig.8 The LIDT of irradiated filter by 1,3 and 5 times of irradiation

从图8可以看出，当激光预处理的辐照次数为3次时，滤光片有极大的激光损伤阈值，随着次数增加到5次，滤光片的激光损伤阈值开始下降，因此，可以认为当预处理的能量为样片LIDT的80%、辐照次数为3次时，滤光片具有较大的激光损伤阈值，较原值提高了37.6%.

三组样片的表面粗糙度见表4.三组的表面粗糙度与辐照次数成反比，当辐照次数为3次时，滤光片的表面粗糙度较小，此时滤光片的表面平均粗糙度和均方根粗糙度较原始样片分别降低了49.47%和43.37%.造成这一结果的原因是，选用低于滤光片LIDT的能量辐照薄膜，可以在不损伤滤光片的情况下改变其内部的应力场分布，使分布更加均匀；并且辐照后滤光片表面的温升可以去除一些杂质，使薄膜表面更加平整，结构致密，粗糙度减小，从而提高滤光片的损伤阈值.

表4 不同激光辐照次数对滤光片粗糙度的影响

3 结 论

本文采用电子束热蒸发技术，在K9基底上制备得到了LaTiO3/SiO2组合膜堆的短波通滤光片，通过不同的激光预处理手段获得了LIDT较高的多层膜.得到的结论如下.

1) 在设计膜系时考虑多层膜的电场强度分布，制备的多层膜激光损伤阈值较高，达到了11.7 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)；

2) 对多层膜进行激光预处理，当辐照的激光能量为激光损伤阈值的80%,辐照次数为3次时，得到的激光损伤阈值为16.1 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)，较原值提高了37.6%.

3) 激光预处理也可改善多层膜的表面粗糙度，减少薄膜表面的缺陷，从而提高激光损伤阈值.

综上，在设计滤光片时除了选用激光损伤阈值较高的材料以外，还需要根据场效应理论分析滤光片内部的电场强度曲线，采用适当的工艺对滤光片进行激光预处理，可获得激光损伤阈值较高的多层介质滤光片.

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(责任编辑、校对 潘秋岑)

Preparation of Multi-Layer Dielectric Filter and Laser Damage Characteristics

HANGLiangyi1,XUJunqi1,SONGYanfeng2,SUJunhong1,GOLOSOVDmitriyA3

(1.Shaanxi Province Thin Film Technology and Optical Test Open Key Laboratory, Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China; 2.Xi’an Modern Control Technology Institute,Xi’an 710065,China; 3.Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics,Minsk 220013,Belarus)

For coating a short-wavelength pass filter with higher laser-induced damage threshold(LIDT),the transmittance and electric field intensity(EFI) plot of filter are designed by a TFCalc software.The filter which made of LaTiO3/SiO2is prepared on K9 substrate by electron beam evaporation.Laser pre-treatment methods to improve filter’s LIDT are studied.The results show:Based on the filter’s EFI,the filter’s film stack is G|(HL)10H0.5L|A.The LIDT is 11.7 J·cm-2(1 064 nm,10 ns).When the filter is irradiated by 80% of original filter’s LIDT,the new filter’s LIDT is 14.3 J·cm-2(1 064 nm,10 ns),22.2% higher than that of an original one.When the filter is irradiated 3 times,the new filter’s LIDT is 16.1 J·cm-2(1 064 nm,10 ns),37.6% higher than that of an original one.And the filter’s surface roughness is decreased after the laser pre-treatment.

short-wavelength pass filter；LaTiO3/SiO2；laser-induced damage threshold； laser pre-treatment

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.12.001

2016-06-16

科技部国际合作资助项目(2013DFR70620)；国家自然科学基金(61378050)；陕西省教育厅科研计划项目(16JS037)

杭良毅(1991-)，男，西安工业大学硕士研究生.

徐均琪(1973-)，男，西安工业大学教授，主要研究方向为光学薄膜技术.E-mail:jqxu2210@163.com.

TN205;O484

A

1673-9965(2016)12-0947-07