基於納米疊層設計紫外雷射反射薄膜

 

近日，中國科學院上海光機所邵建達研究員、朱美萍研究員與美國新墨西哥大學Wolfgang Rudolph教授等人合作基於可調諧納米疊層的思想設計紫外雷射反射薄膜，實現了具有高反射率、寬帶寬和高雷射損傷閾值的355nm雷射反射薄膜。該設計思想為提高紫外雷射薄膜性能開闢了新的途徑，為支撐高功率雷射領域的進一步發展奠定了基礎。相關成果於近期以「Nanolaminate-based design for UV laser mirror coating」在線發表在國際頂尖光學期刊《Light: Science & Applications》上。論文第一作者是中國科學院上海光機所朱美萍研究員，共同通訊作者為朱美萍研究員、Wolfgang Rudolph教授和邵建達研究員。

雷射裝置輸出功率的不斷提升對雷射薄膜的要求不斷提高。理想的紫外雷射反射薄膜需要同時具有高的反射率、寬的反射帶寬和高的雷射損傷閾值。然而，這些要求往往很難同時滿足。這是由於高的反射率和寬的反射帶寬需要高折射率的材料，然而較高折射率的材料往往具有較小的光學帶隙，因此具有較低的雷射損傷閾值。過去通常採用組合膜系設計，即在具有高反射率的膜堆上沉積具有高雷射損傷閾值的膜堆，來實現紫外雷射反射薄膜。組合膜系的設計需要對反射率、帶寬和雷射損傷閾值等相互制約的性能要求進行權衡折衷。

在這項工作中，研究團隊展示了一種基於共蒸界面納米疊層的「集高反射率和高雷射損傷閾值於一體」的反射薄膜設計方法。在這種設計方法中，採用兩種材料交替的納米疊層作為一層具有高折射率和大光學帶隙的等效層，取代傳統組合膜系設計中的高折射率膜層。在保持總光學厚度不變的前提下，通過改變納米疊層中兩種材料的厚度比例，可以調節納米疊層薄膜的（平均）折射率和光學帶隙。這使得發展出同時具備高反射率和高雷射損傷閾值的紫外反射薄膜成為可能。隨後，研究團隊使用電子束沉積技術，在實驗上證明了基於Al2O3-HfO2納米疊層的反射薄膜在紫外波段具有更高的反射率、帶寬和雷射損傷閾值，適用於紫外雷射領域。與傳統組合膜系設計相比，該納米疊層設計的紫外雷射反射薄膜（兩者總膜層厚度接近）具有若干優點。首先，納米疊層設計薄膜在紫外波段具有更高的反射率和更寬的帶寬，同時在可見至近紅外波段具有更低的透射波紋；其次，納米疊層設計薄膜中電場強度隨膜層深度衰減的更快，節瘤缺陷引起的電場增強更低，薄膜中的吸收更低，從而具有更高的紫外雷射損傷閾值；最後，該技術適用於大尺寸（對角線尺寸達米級）雷射薄膜的製備。研究團隊利用納米疊層的折射率和光學帶隙可調諧的特性來設計超越傳統紫外雷射薄膜性能的新型紫外雷射反射薄膜，為提高雷射薄膜綜合性能提供了一種重要的技術途徑。基於納米疊層的雷射薄膜設計思想在未來可以通過改變疊層材料種類和厚度比例進一步拓展從而形成其他高綜合性能的雷射薄膜元件。據悉，本論文的核心概念已提交了中國發明專利申請。

圖1. 高雷射損傷閾值反射薄膜膜系設計的結構示意圖。

（a）使用高折射率和低折射率材料交替結構的傳統組合膜系設計示意圖。

（b）使用納米疊層和低折射率材料交替結構的新型納米疊層膜系設計示意圖。

圖2. Al2O3、HfO2和Al2O3-HfO2納米疊層薄膜的性能表徵。

（a）納米疊層薄膜中Al2O3和HfO2的含量隨膜層物理厚度的變化曲線。

（b）XRD譜圖。

（c）透射光譜曲線。A2O3單層膜，HfO2單層膜和Al2O3-HfO2納米疊層薄膜的物理厚度分別為513.8 nm，540.7 nm和444.1 nm。插圖所示為膜層折射率。

圖3. 傳統組合膜系設計和基於納米疊層膜系設計的紫外反射薄膜性能。

（a）TCD和（b）NLD薄膜的剖面形貌（由高解析度透射電子顯微鏡表徵）。

（c）SiO2，Al2O3和HfO2含量隨膜層深度的變化曲線。

（d）反射和（e）透射光譜曲線（45°入射角，實線：s偏振光，點線：p偏振光）。

（f）單脈衝損傷概率與雷射輻照能量的關係。

（g）電場強度分布曲線。

（h）吸收隨波長的變化曲線。

圖4.雷射損傷形貌圖。

（a-h）SEM-FIB表徵的雷射損傷表面形貌圖和剖面形貌圖。

（i-l）雷射損傷形貌隨雷射能量變化的示意圖。

（來源：科學網）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0257-4