光学薄膜的激光损伤和破坏(海南)1
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光学薄膜的设计及激光损伤
南京工业大学 倪亚茹
12/11/2006
内容
1
光学薄膜的性质和种类
2
光学薄膜对激光的吸收和散射
3
光学薄膜的驻波场和温度场
4
光学薄膜激光破坏的影响因素
5
光学薄膜激光破坏阈值的增强
1 光学薄膜的性质和种类
1.1 光学薄膜的一般性质
反射角和折射角遵守斯涅尔定律 反射光束和折射光束的电场振幅由费涅尔系数决定
1 光学薄膜的性质和种类
光学增透膜
干涉滤光片 （带通、截止）
光学薄膜 种类
光学反射膜 光学偏振膜
2 光学薄膜对激光的吸收和散射
由于消光系数和粗糙度的存在，光在薄膜中存在吸收和散射损耗。 其不仅会导致薄膜性能的下降，且容易引起薄膜的激光破坏。
2.1 薄膜吸收
导致薄膜激光 破坏的最重要
因素之一
单层膜吸收率 Af 2(1 R)( f g sin cos )
损伤阈值(J/cm2) 10ns ,1064nm 27.1 27.9 7 9.95 16.7 17.8 5.5 5.92
镀膜机 莱宝 APS-904 南光 ZZS-700 莱宝 APS-904 南光 ZZS-700
溅射法(Sputtering)
溅射法涉及到利用高压从源或叫 靶子上移走材料。从靶子上移走的原 子在腔室内成为离子化气体弥散在室 内，能够沉积在基质上。靶子表面作 为阴极或阳极连入电路，基质则连接 在正极或负极，如图所示意。溅射腔 室内充有惰性气体如氩气，在高压下 可以电离化。荷正电离子在靶子表面 得到加速，它们有足够的能量可以撞 击靶子使得其上的原子离开把子材料， 其中大多数原子趋向基质材料表面加 速，接二连三的撞击、沉积就形成了 薄膜。
薄膜杂质缺陷 累积效应
4.1 光学薄膜激光损伤研究
膜层工艺
HfO2/SiO2的22层 1064nm高反膜
HfO2/SiO阈值
样品尺寸
φ25×9.5 φ25×2 φ25×9.5 φ25×2 φ25×9.5 φ25×2 φ25×9.5 φ25×2
优化电子束沉积工艺参数 改进基体的加工和清洗工艺 采用离子沉积工艺
改进薄膜膜系
B
旨在改变薄膜内部的驻波场和温度场
改进制备工艺 A ……钢化处理 E
增强途径
C 激光预处理
薄膜表面杂质的退吸附； 薄膜内部微缺陷的移除； 光学击穿的初始电子移除
D 增大表面发射率，改善
热传导性能
可以对窗口、滤光片、探测器、光学系 统和壳体结构等各种靶目标进行保护。
5 光学薄膜激光破坏阈值的增强
5.3 激光预处理
激光辐射处理后
粗糙度值(rms): 4.040nm
粗糙度值(rms): 1.122nm
Fth0％＝27.4（J/cm2,1.06m） Fth0％＝54.9（ J/cm2,1.06m ）
5 光学薄膜激光破坏阈值的增强
5.3 激光预处理
激光辐射处理后
3.2 光学薄膜的温度场
薄膜的峰值温度随 吸收系数的增加而 急剧增加
热导率的变化不仅影响薄膜 内的温度峰值，而且影响温度场 的分布。
单层TiO2膜的温度场与热导率的关系
单层TiO2膜的温度场与消光系数的关系
4 光学薄膜激光破坏的影响因素
薄膜激 光破坏 的影响
因素
薄膜的厚度 基体特性 激光光斑尺寸
普通λ/4膜系高反射膜的驻波场
3.1 光学薄膜的驻波场
二、三层增透膜的驻波场
平板型偏振膜的驻波场
1/4λ膜 层
1/2λ膜层
1/4λ膜 层
3.1 光学薄膜的驻波场
驻波场越大，该处的吸收 损耗越大； H L在驻波场为零的地段，不 H管吸收多大，其吸收损耗 HL都为零。 L L H L H L H
法布里－白洛型干涉滤光片的驻波场
溅射制薄膜设施示意图
APS镀膜技术
kaufman离子源、射频离子源、霍尔离子源、 冷阴极离子源、电子回旋离子源、阳极层离子源 感应耦合离子源
……
目的是在线清洗，改善被镀表面能量分布和调
制增加反应气体能量。离子源可以大大改善膜
与基体的结合强度，同时膜本身的硬度与耐磨
耐蚀特性也会改善。
5 光学薄膜激光破坏阈值的增强
n0 )2 ]
粗糙界面的散射损耗Sr
Sr
R0
[1
exp(
4
n0 )2 ]
3 光学薄膜的驻波场和温度场
3.1 驻波场
是反射波和入射波相干叠加的结果。
相位差是2π的整数倍，则在该处形成驻波波腹； 相位差是π的奇数倍，则在该处形成驻波波结。
结构A |(HL)PH|S
结构:A |(HL)P|S
粗糙度值(rms): 4.122nm Fth0％＝2.4 （J/cm2,0.53m）
粗糙度值(rms): 1.205nm Fth0％＝3.1 （J/cm2,0.53m）
LOGO
kf /nf
f
(n
2 f
ns2 ) / 2n f ns
g (n f ns ) / 2n f ns (n f ns )
多层膜吸收率
AR
2
n0
n
2 H
n
2 L
( H
L)
2 光学薄膜对激光的吸收和散射
2.2 薄膜散射
粗糙界面的反射率RS
Rs
R0
exp[( 4
光学薄膜的设计及激光损伤
南京工业大学 倪亚茹
12/11/2006
内容
1
光学薄膜的性质和种类
2
光学薄膜对激光的吸收和散射
3
光学薄膜的驻波场和温度场
4
光学薄膜激光破坏的影响因素
5
光学薄膜激光破坏阈值的增强
1 光学薄膜的性质和种类
1.1 光学薄膜的一般性质
反射角和折射角遵守斯涅尔定律 反射光束和折射光束的电场振幅由费涅尔系数决定
1 光学薄膜的性质和种类
光学增透膜
干涉滤光片 （带通、截止）
光学薄膜 种类
光学反射膜 光学偏振膜
2 光学薄膜对激光的吸收和散射
由于消光系数和粗糙度的存在，光在薄膜中存在吸收和散射损耗。 其不仅会导致薄膜性能的下降，且容易引起薄膜的激光破坏。
2.1 薄膜吸收
导致薄膜激光 破坏的最重要
因素之一
单层膜吸收率 Af 2(1 R)( f g sin cos )
损伤阈值(J/cm2) 10ns ,1064nm 27.1 27.9 7 9.95 16.7 17.8 5.5 5.92
镀膜机 莱宝 APS-904 南光 ZZS-700 莱宝 APS-904 南光 ZZS-700
溅射法(Sputtering)
溅射法涉及到利用高压从源或叫 靶子上移走材料。从靶子上移走的原 子在腔室内成为离子化气体弥散在室 内，能够沉积在基质上。靶子表面作 为阴极或阳极连入电路，基质则连接 在正极或负极，如图所示意。溅射腔 室内充有惰性气体如氩气，在高压下 可以电离化。荷正电离子在靶子表面 得到加速，它们有足够的能量可以撞 击靶子使得其上的原子离开把子材料， 其中大多数原子趋向基质材料表面加 速，接二连三的撞击、沉积就形成了 薄膜。
薄膜杂质缺陷 累积效应
4.1 光学薄膜激光损伤研究
膜层工艺
HfO2/SiO2的22层 1064nm高反膜
HfO2/SiO阈值
样品尺寸
φ25×9.5 φ25×2 φ25×9.5 φ25×2 φ25×9.5 φ25×2 φ25×9.5 φ25×2
优化电子束沉积工艺参数 改进基体的加工和清洗工艺 采用离子沉积工艺
改进薄膜膜系
B
旨在改变薄膜内部的驻波场和温度场
改进制备工艺 A ……钢化处理 E
增强途径
C 激光预处理
薄膜表面杂质的退吸附； 薄膜内部微缺陷的移除； 光学击穿的初始电子移除
D 增大表面发射率，改善
热传导性能
可以对窗口、滤光片、探测器、光学系 统和壳体结构等各种靶目标进行保护。
5 光学薄膜激光破坏阈值的增强
5.3 激光预处理
激光辐射处理后
粗糙度值(rms): 4.040nm
粗糙度值(rms): 1.122nm
Fth0％＝27.4（J/cm2,1.06m） Fth0％＝54.9（ J/cm2,1.06m ）
5 光学薄膜激光破坏阈值的增强
5.3 激光预处理
激光辐射处理后
3.2 光学薄膜的温度场
薄膜的峰值温度随 吸收系数的增加而 急剧增加
热导率的变化不仅影响薄膜 内的温度峰值，而且影响温度场 的分布。
单层TiO2膜的温度场与热导率的关系
单层TiO2膜的温度场与消光系数的关系
4 光学薄膜激光破坏的影响因素
薄膜激 光破坏 的影响
因素
薄膜的厚度 基体特性 激光光斑尺寸
普通λ/4膜系高反射膜的驻波场
3.1 光学薄膜的驻波场
二、三层增透膜的驻波场
平板型偏振膜的驻波场
1/4λ膜 层
1/2λ膜层
1/4λ膜 层
3.1 光学薄膜的驻波场
驻波场越大，该处的吸收 损耗越大； H L在驻波场为零的地段，不 H管吸收多大，其吸收损耗 HL都为零。 L L H L H L H
法布里－白洛型干涉滤光片的驻波场
溅射制薄膜设施示意图
APS镀膜技术
kaufman离子源、射频离子源、霍尔离子源、 冷阴极离子源、电子回旋离子源、阳极层离子源 感应耦合离子源
……
目的是在线清洗，改善被镀表面能量分布和调
制增加反应气体能量。离子源可以大大改善膜
与基体的结合强度，同时膜本身的硬度与耐磨
耐蚀特性也会改善。
5 光学薄膜激光破坏阈值的增强
n0 )2 ]
粗糙界面的散射损耗Sr
Sr
R0
[1
exp(
4
n0 )2 ]
3 光学薄膜的驻波场和温度场
3.1 驻波场
是反射波和入射波相干叠加的结果。
相位差是2π的整数倍，则在该处形成驻波波腹； 相位差是π的奇数倍，则在该处形成驻波波结。
结构A |(HL)PH|S
结构:A |(HL)P|S
粗糙度值(rms): 4.122nm Fth0％＝2.4 （J/cm2,0.53m）
粗糙度值(rms): 1.205nm Fth0％＝3.1 （J/cm2,0.53m）
LOGO
kf /nf
f
(n
2 f
ns2 ) / 2n f ns
g (n f ns ) / 2n f ns (n f ns )
多层膜吸收率
AR
2
n0
n
2 H
n
2 L
( H
L)
2 光学薄膜对激光的吸收和散射
2.2 薄膜散射
粗糙界面的反射率RS
Rs
R0
exp[( 4