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高功率激光系统

图1 大尺寸激光偏振薄膜


自上个世纪七十年代开始,薄膜光学实验室就开始开展膜层中电场和温度场分布对光学薄膜损伤阈值的影响。研究结果表明,对于氧化铪/氧化硅(HfO2/SiO2)多层膜,HfO2 膜层中的电场强度越低,最强电场所处的位置,离空气 - 膜层界面越远,多层膜的损伤阈值就越高。此外,将外保护层和内保护层的思想运用于激光薄膜的膜系设计,以提高薄膜元件的力学强度,并抑制某些特定的损伤形貌,进而提升激光损伤阈值。

薄膜总应力包括来源于各个膜层及其膜层界面应力的贡献。在薄膜总应力方面,由于各种镀膜材料的应力不同,调整不同镀膜材料的厚度比,是平衡薄膜总应力的有效手段。因此,薄膜中心发展了一套系统的激光薄膜设计方法,包括:谱性能、电场分布、外保护层和内保护层的优化设计,以及应力的平衡。

在薄膜制备过程中,精确的膜层厚度控制,对获得优良的光谱性能而言至关重要。我们提出一种基于多个光学监控片的膜厚监控方法,为了减少厚度误差,一些较厚的膜层被拆分成两层,由不同的光学监控片进行监控。利用上述方法,可以获得接近理论设计的光谱性能。

为了提升激光损伤阈值,理解激光损伤的源头至关重要。缺陷是薄膜在激光辐照下产生损伤的主要诱因。通常来讲,降低缺陷密度和提高缺陷的抗激光损伤能力,是提升激光损伤阈值的有效方法。因此,薄膜制备过程中的每一步都需要严格控制。

以基片加工与清洗为例,基片抛光过程中产生的纳米级吸收性缺陷,会严重降低减反射膜和分光膜的激光损伤阈值。同时,基片表面的几何结构性缺陷,会导致高反射多层膜中出现内部裂纹与电场增强,最终显著降低激光损伤阈值。为了减少源于基片的缺陷,镀膜腔室外和镀膜腔室外分别采用超声清洗和等离子体清洗的基片清洗方法。

除了源于基片表面的缺陷,镀膜材料的喷溅也是一类重要的缺陷源头。通过优化膜料预熔过程,以及采用金属铪取代氧化铪作为初始镀膜材料,可以有效地降低镀膜材料喷溅引起的缺陷。

为了提高缺陷点的抗激光损伤能力,相对较高的氧分压和相对较低的沉积速率,有助于薄膜的氧化。最近,我们还提出了共蒸界面技术,以提高多层膜界面性质,并释放膜层应力。此外,后处理过程,包括激光预处理和氧 - 等离子体处理,也被用来提升激光损伤阈值。

薄膜元件的波前畸变依赖于基片的面形、多层膜的应力控制,以及测试与运行的环境。为了理解与控制薄膜沉积过程中的应力演化,我们建立了一套在线应力测试系统。该系统能通过调整沉积参数,对膜层应力进行调谐。


大口径薄膜元件

与美国的 NIF 装置与法国的LMJ 装置一样,中国的神光系列装置也需要大口径布儒斯特角偏振片和反射镜等元件来操纵激光光束。我们采用等离子体辅助沉积技术结合传统的电子束蒸发技术,制备出了大口径的激光薄膜元件。这两种沉积技术的结合,具有可对膜层应力进行调谐、保持高的激光损伤阈值,以及可扩展至大口径元件的制备等优点。

迄今为止,我们制备的大口径偏振片对角线尺寸达 900mm,在1053nm 处的P偏振光透射率高于98%,S偏振光反射率高于99%,可以承受高达14J/cm2(5ns脉宽)的激光通量,已经在 SG II-UP 系统中获得良好应用。大口径的传输反射镜在1053nm 处的反射率高于 99.5%,可以承受的激光通量高达 30J/cm2