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上海光机所研制的基频反射膜在2019年激光损伤阈值水平国际评比中取得最佳结果

来源：发布时间：2019-10-12【字体：大中小】

　　2019年9月22日至25日，在SPIE激光损伤——第51届高功率激光光学材料年会（SPIE Laser-Induced Damage in Optical Materials 2019）组织的基频反射膜激光损伤阈值国际竞赛中，薄膜光学实验室研制的多层介质反射膜样品取得最佳结果，1-on-1激光损伤阈值比第二名高出65%。这是上海光机所继2018年在该国际竞赛中取得基频反射膜功能性激光损伤阈值竞赛第一名的佳绩后，再次取得最佳结果。

　　一年一度的SPIE激光损伤国际会议在美国Boulder举办，代表着光学材料激光损伤研究领域的国际最高水平。2008年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室发起了薄膜激光损伤阈值国际竞赛，庆祝SPIE高功率激光光学材料年会四十周年，同时了解当前最先进的激光薄膜损伤阈值水平。此后，该国际激光损伤竞赛每年举办一次。本年度的竞赛是2018年竞赛的延续，主题仍是基频反射膜，对膜层的光谱性能要求为：正入射时反射率大于99.5%，使用波长为1064nm。参赛样品共53个，包括2018年提交的33个样品和2019年提交的20个样品。来自中国、美国、德国、瑞士、日本、立陶宛、捷克、马恩岛等8个国家的24家单位参赛，包括美国Laboratory for Laser Energetics (LLE)、 Colorado State University、Melles Griot、Edmund Optics、TelAztec LLC，德国汉诺威激光中心、Laser Components、LaserOptik GmbH，日本Nikon Corp.、Tokai Optical，瑞士Schott，以及同济大学等多家国内外知名研究机构或公司。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室人员从上述53个样品中选出21个样品进行比对测试，样品的选择基于以下两个原则：一、涵盖不同的沉积方法和镀膜材料；二、每个参赛单位只选择一个样品。

　　阈值指标评定采用双盲办法，由非技术人员将所有参赛样品统一包装、并以字母进行编号（如：A1、A2、B1），再将样品送至Spica Technologies, Inc.，根据Raster scanning和1-on-1两种激光损伤阈值测试方法进行测试。测试激光参数如下：波长1064nm、脉宽3ns、入射角度0°。

图1 基频反射膜激光损伤阈值国际评比结果（照Rater Scan测试方法下无损伤进行排序），标五角星(编号O1)的为薄膜光学实验室的参赛样品。

　　图1所示的阈值测试结果表明上海光机所研制的基频反射膜在激光能量密度低于82J/cm²时，膜层没有任何损伤；1-on-1激光损伤阈值高达100J/cm²。

　　反射膜在激光系统中精密操纵激光束的传输，其性能直接影响整个激光装置的输出能量和光束质量，是国际激光薄膜领域同行重点研究的薄膜类型。本次参赛样品的薄膜沉积技术包括电子束蒸发、离子束辅助沉积、离子束溅射、磁控溅射等技术。参赛样品采用的高折射率镀膜材料主要包括HfO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅材料，以及HfO₂/Al₂O₃、Ta₂O₅/Al₂O₃和Ta₂O₅/MgF₂等的组合。如图2所示，采用相同沉积技术和相同镀膜材料制备的反射膜激光损伤阈值存在较大差异，体现了激光损伤阈值与沉积工艺的相关性。

图2 采用Raster Scan方式的比对测试结果（2018-2019年共41个样品），按薄膜沉积技术进行分类排序。

　　上海光机所薄膜光学实验室是我国第一支专业从事激光薄膜研究的团队，至今已有五十余年的研究历史，在激光薄膜设计、制备，及激光与薄膜态材料相互作用方面具有雄厚的积累。为神光系列高功率激光装置、超强超短激光装置提供了大量主要的高损伤阈值激光薄膜，满足了国家战略需求。

　　近年来，上海光机所针对提升反射膜激光损伤阈值面临的“灾难性”损伤和缺陷密度抑制难题开展了深入细致的研究工作。2018年和2019年激光损伤阈值国际竞赛采用的Raster Scan和1-on-1测试方法也正是分别对“灾难性”损伤和缺陷密度抑制技术的评价。Raster Scan测试方式采用小光斑扫描，对1cm²区域的所有点进行测试，大部分样品在该测试方法下会由于“灾难性损伤”问题而失效。1-on-1测试方法根据ISO标准，选取不同的能量台阶，每个能量台阶下测试10个点，缺陷密度越低，1-on-1测试方法下出现激光损伤的几率就越低，损伤阈值也就越高。上海光机所薄膜光学实验室研制的薄膜样品在上述两种测试方法下均取得最佳结果，体现了在“灾难性”损伤和缺陷密度抑制两个方面的技术进步。相关研究工作大幅提高了各类介质薄膜元件的激光损伤阈值，在薄膜元件激光损伤阈值提升的长期竞争过程中巩固并强化了我国的国际领先地位。（薄膜光学实验室供稿）