激光薄膜吸收损耗控制

封面解析：

高性能激光薄膜元件是激光系统的关键元件之一。随着激光技术的迅速发展，激光薄膜的吸收损耗控制成为强激光、激光陀螺、引力波测量等领域研究人员共同关注的研究热点。中科院上海光机所薄膜光学实验室从制备工艺和薄膜材料两个方面详细介绍了激光薄膜吸收损耗的调控方法以及吸收机理的研究进展。科研人员通过应用HfO2-Al2O3混合物薄膜，成功降低了二向色镜的吸收损耗，将其在两个波段的激光损伤阈值均提升了接近1倍。

封面文章| 温家慧;朱美萍;孙建;李静平;邵建达; 激光薄膜吸收损耗控制研究进展[J].光学学报, 2022, 42 (07):0700001.

1、研究背景

在惯性约束聚变等高功率激光系统中，薄膜吸收会使薄膜在激光辐照下产生温升，成为激光薄膜损伤的源头。

对于引力波测量等系统，薄膜吸收会使得镜面温度升高并产生形变。因此，强激光和精密测试等系统使用的激光装置对薄膜的吸收控制提出了很高的要求。

针对激光装置对激光薄膜的吸收损耗要求，领域内研究人员在制备工艺和镀膜材料等方面开展了大量研究工作。

制备工艺方面，研究人员不断尝试制备工艺改进优化，譬如电子束共蒸发沉积、离子束辅助电子束蒸发沉积以及离子束共溅射技术等，以降低薄膜吸收损耗。

镀膜材料方面，紫外近红外波段超低吸收的SiO2几乎是不可替代的低折射率材料，而Ta2O5、HfO2、Nb2O5和Al2O3等高折射率材料根据激光薄膜的性能要求和应用领域各显千秋。针对单一激光薄膜材料的吸收机理已有大量研究，且研究表明通过薄膜沉积工艺参数优化和后处理等途径可有效降低薄膜吸收损耗，提升抗激光损伤性能。然而，使用纯材料有时难以同时满足薄膜高的光谱和激光损伤阈值要求。

2、复合薄膜材料研究

针对激光薄膜综合性能提升面临的自然界可用镀膜材料有限的问题，近年来，中科院上海光机所薄膜光学实验室基于电子束沉积技术，分别开展了基于纳米叠层和共沉积技术的复合薄膜材料设计与制备，并对其性能进行了研究，研究结果表明复合薄膜膜层具有折射率和光学带隙可调谐等优势，同时具备更低的吸收损耗。

科研人员利用Al2O3-HfO2纳米叠层的折射率和光学带隙可调谐的特性设计了超越传统紫外激光薄膜性能的新型紫外激光反射薄膜（图1）。

图1 高激光损伤阈值反射薄膜膜系设计的结构示意图。(a) 传统组合膜系设计和(b) 新型纳米叠层膜系设计示意图

在保持总光学厚度不变的前提下，通过改变纳米叠层中两种材料的厚度比例，可以调节纳米叠层薄膜的（平均）折射率和光学带隙。与传统膜系相比，制备的紫外反射膜在355nm处吸收损耗小约20%（图2），表现出较低的电场增强、更快的电场随深度衰减。因此激光诱导温升较低，表现出较高的激光损伤阈值。

图2 传统组合膜系设计和基于纳米叠层膜系设计的紫外反射薄膜：（a）电场强度分布曲线和（b）吸收随波长变化曲线

与纳米叠层相比，混合物膜层可具有更大的光学带隙。科研人员提出了基于HfO2-Al2O3混合膜层和类三明治结构界面的二向色镜（MDLM）设计新方法（图3）。

图3 基于混合膜层和类三明治结构界面的二向色镜设计示意图

MDLM测得吸收为6 ppm，是传统膜系（TDLM）测得吸收12 ppm的一半。与TDLM相比，MDLM在532 nm的激光损伤阈值（脉宽7.7 ns，s偏振光）和1064nm的激光损伤阈值（脉宽12 ns，p偏振光）均提升了近一倍。采用FEM仿真模拟研究了1064 nm p偏振激光引起的两种膜层的温升。结果表明，与TDLM相比，MDLM由于其较小的吸收而显示出较低的激光诱导温升（图4），与较高的损伤阈值相符。

图4 激光诱导温度模拟

基于纳米叠层、混合膜层/界面等复合薄膜材料的设计新方法为改进激光薄膜开辟了新的途径，适用于许多需要高质量激光薄膜的激光技术领域。

3、未来展望

由于薄膜是多孔的低维材料,结构和性质的复杂性使得建立相应的固体物理模型极为困难,从而使得薄膜在吸收机理上未形成完整的研究理论。建立多种材料相应的吸收理论体系并据此改善薄膜性能的研究，以及新材料和混合材料的研究将成为今后激光薄膜吸收损耗控制的研究重点。