抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法
【专利摘要】本发明提出的一种抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法，利用本方法，可显著地提高光参量振荡中红外激光器中铌酸锂减反射膜的激光损伤阈值，承受100毫焦量级的1065nm激光，保证激光器稳定工作。本发明通过下述技术方案予以实现：以中红外薄膜材料为基础选择薄膜材料，选取ZnS作为高折射率材料，在CaF2、YF3、YbF3中筛选低折射率材料，以1065nm为膜系设计参考波长，在计算机上，设计出三波段减反射膜；使用全自动镀膜机，制作出该镀膜机自动控制用的模板控制文件；根据材料实验结果对石英晶振定标，镀膜机内装入选定的镀膜材料，按选定的模板控制文件自动完成在铌酸锂上制作近、中红外波段具有高的激光损伤阈值的三波段减反射膜减反射膜的制作。
【专利说明】抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种主要用于l〇65nm光参量振荡激光器产生中红外激光的激光 系统，在铌酸锂晶体上同时获得具有高的激光损伤阈值和1040-1080nm、1400-1600nm、 3000-4000nm三个波段上降低反射率的减反射膜光学膜片的制作方法。
【背景技术】
[0002] 激光具有同向性、高亮度、单色性和高能量密度的四大光学特性。由于其相对普通 光线的特殊特性，激光器及其应用系统在现代社会发展中起到了越来越重要的作用，广泛 应用于各种民用和军用领域。在激光器及其应用系统的光学系统中，为了达到系统设计要 求，系统中光路所经过的光学元件一般都需要镀制光学薄膜。所谓光学薄膜，是指选取不同 光学折射率的镀膜材料，使用物理或化学沉积的方法将不同膜料按光学原理计算好的厚度 和顺序沉积在待镀膜元件的表面，使元件最终获得具有系统要求的光学性能。
[0003] 激光系统中一类非常重要的固体激光器为光学参量振荡激光器，中红外激光光源 是目前激光技术研究的热点，全固态光参量振荡激光器广泛应用于光电对抗、激光雷达、物 理化学和生物谱分析、光学分频和和频、量子光学、太赫兹场的产生、基于红绿蓝的三基色 显示系统等领域。这种激光器中需要一个传统的l〇65nm近红外基频激光光源，在通过铌酸 锂晶体时强激光与晶体的非线性效应(光学参量振荡)，产生1400-1600nm、3000-4000nm的 红外激光。
[0004] 铌酸锂在上述激光系统中为关键元件，由于铌酸锂生长时的工艺条件和镀膜工艺 的限制，在铌酸锂上镀制减反射膜有三个主要性能指标： 1.激光损伤阈值。铌酸锂镀膜后在强激光光路中使用，薄膜的激光损伤阈值最低，薄 膜的损伤会导致整个系统失效，激光输出下降甚至完全无法工作，激光器失效。薄膜的激光 损伤阈值要求能承受激光腔内的能量。
[0005] 2.残余反射率。铌酸锂的折射率η高达2. 2,在不镀膜的情况下，单面残余反射达 14%，双面将有约28%光被反射出去，大大影响激光器的效率，残余反射率应越低越好。
[0006] 3.工作波段宽度。根据减反射膜的应用要求，膜系有三个不同的工作波段，应用于 基频激光的l〇65nm波段，光参量振荡的1400-1600nm波段和3000-4000nm波段。
[0007] 激光系统中常用的减反射膜都是基于光学干涉原理设计的光学干涉薄膜。常规减 反射膜选取两种不同折射率的材料作为薄膜材料，其中折射率高的材料定义为Η，折射率 低的材料定义为L，两种材料交替沉积。典型的减反射膜结构为：基板AaHbL)~m/空气，其 中m是正整数，a，b分别为系数，其单位厚度为减反射膜设计参考波长1065nm的四分之一， 其具体取值取决于需要获得产品的指标要求，a，b在每一层可以不同，膜系总层数与工作波 段的宽度和残余反射率的大小有关。现有的技术有以下的缺陷： 1.抗激光损伤能力差，阈值低。由于铌酸锂晶体生长工艺的缺陷，晶体表面存在一些缺 陷和非化学计量比成分，镀膜后这些缺陷包裹在膜层内形成节瘤，降低了晶体的激光损伤 阈值；镀膜过程控制不好，电子枪的辐射会导致成膜温度升高，铌酸锂在一定温度下容易发 生结晶偏析现象，在表面形成缺陷和强激光相互作用会发生损伤。中红外光参量振荡激光 器工作在中红外区域，中红外透明的薄膜材料屈指可数，以硫化物、氟化物居多，工艺过程 控制不好会导致薄膜材料分解，增大膜层吸收，导致薄膜损伤。目前很多文献报道的光参量 振荡中红外激光器为避免镀膜后薄膜的激光损伤，往往采用不镀膜这样的技术方案，以能 量损失为代价换取激光器的稳定工作。
[0008] 2.光谱特性差。由设计和工艺两方面原因造成，目前这样的应用较少，横跨三个波 段对薄膜的设计和工艺过程控制难度要求高，膜系在l〇65nm激光中使用，必须考虑材料的 抗激光性能，中红外膜系厚，需考虑材料的应力特性，限制了薄膜材料的选用，尤其是最外 层材料的折射率直接影响膜系的光谱性能，更好的光谱特性要求更多的膜层数，但同时导 致膜系的应力增大，严重是膜层会脱落。铌酸锂和很多材料的结合不好，需要增加过渡层， 这大大增加了设计和制作的难度。在跨越的波段很宽时，薄膜材料的色散也是影响光谱的 主要因素，在红外区用常规的光度法或包络法难以准确确定薄膜材料的折射率。
[0009] 光学薄膜的实际制作时，会将要镀膜的工件置于待蒸发的膜料上方的工件载盘 中。薄膜的厚度常规通过监测监控片的透射或反射光信号的强度随膜料沉积厚度的变化来 控制镀膜进程，这种方法即为常用的光学监控法，优点是参考波长稳定，膜系不会漂移，但 中红外的光学监控系统在国产机上很不成熟。石英晶体膜厚监控法的特点是可以监控任意 厚度的膜系，每层的误差是独立累加的，但该方法是间接测量法，随真空度和温度变化，对 镀膜机的稳定性要求更高。
[0010] 同时，多波段减反射膜膜层材料比常规减反射膜多，三种材料要调整三个工具因 子，对镀膜时控制精度的要求也越高。镀膜过程中稍有不慎可能影响多个波段中的平衡性， 引起产品在某一波段上残余反射过大报废。实际镀膜时如何控制和减小误差，将很大程度 上决定获得的产品质量。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提出一种高激光损伤阈值，低残 余反射，可显著地提高光参量振荡0P0中红外激光器中铌酸锂减反射膜的激光损伤阈值， 承受100毫焦量级的l〇65nm激光，保证激光器稳定工作的三波段铌酸锂减反射膜的制造方 法。
[0012] 本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种抗激光损伤铌酸锂三波段减反 射膜（以下简称减反射膜）的制作方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 确定理论膜系，以光学干涉薄膜理论为膜系结构设计基础，选取ZnS作为高折射率 材料，氟化镱YbF3为低折射率材料，以600nm为减反射膜的设计参考波长，分别定义ZnS、 ΑΙΑ和YbF3在λ /4的单位光学厚度为Η、Μ和L，在减反射膜基底表面增加一层ΑΙΑ层， 作为应力匹配和抗激光损伤层，在计算机上，使用膜系设计软件Essential Macleod，根据 1065nm、1400-1600nm、3000-4000nm三波段减反射膜减反射要求确定膜系结构； (2) 使用具有石英晶体振荡膜厚控制仪、基于组态软件和PLC硬件控制的高精度全 自动镀膜机，并根据上述获得的理论膜系结构，制作出该镀膜机自动控制用的模板控制文 件； (3) 在镀膜机内装入上述选定的镀膜材料，采用阻蒸和电子枪混合蒸发的沉积方式，镀 膜机按选定的模板控制文件自动完成减反射膜的制作。
[0013] 本发明相比于现有技术具有如下的有益效果。
[0014] 本发明以Optimac自动优化设计法为基本优化设计方法，在现有减反射膜技术基 础上，采用增加 A1203过渡层的方法，解决了铌酸锂表面近、中红外三波段激光减反射膜问 题，膜系能承受100毫焦级l〇65nm激光的能量，提高了 YbF3的附着力，也降低了铌酸锂的 表面缺陷对l〇65nm激光的敏感度。
[0015] 改进减反射膜的镀制工艺。本发明在铌酸锂晶体上同时获得具有高的激光损伤阈 值和1040-1080nm、1400-1600nm、3000-4000nm三个波段上降低反射率的光学膜片。根据多 次试验结果的经验，通过严格控制成膜的温度，降低了铌酸锂在成膜过程中的偏析现象，保 证了膜系的激光损伤阈值，激光损伤实验后，激光共聚焦扫描显微镜图像的观察表明，激光 的损伤是从铌酸锂表面下方较深的缺陷起始的，即铌酸锂的体缺陷引起而不是从薄膜和晶 体表面起始的。
[0016] 配合计算机软件的随机误差分析证明，使用本发明制定的工艺控制方法，可以有 效控制随机误差的负面影响，获得与理论设计相符合的实际产品(如图3、4)。
[0017] 本发明采用石英晶体膜厚控制仪作为薄膜厚度的主要控制方法，在可见光区常用 的光控法虽然控制的波长稳定，但在中红外波段PbS探测器的精度和稳定性均较可见光 低，红外监控的精度不佳。其次，对ZnS采用阻蒸，A1 203和YbF3采用电子枪蒸发的方法，保 证了 ZnS不分解和工具因子稳定，具有较好的重复性 本发明采用Essential Macleod软件的Optimac优化方法，设计了银酸锂LiNb03上 低残余反射的1040-1080nm、1400-1600nm、3000-4000nm三波段减反射膜。在实际制作过 程中，采用石英晶体膜厚控制仪控制厚度，实际获得了铌酸锂LiNb0 3上的上述三波段减反 射膜，能承受100毫焦以上的l〇65nm激光，基本解决了铌酸锂LiNb03上镀制该类膜系的技 术问题，对中红外激光光源的研制和生产具有很高的实用价值。利用本方法，可显著地提 高光参量振荡0P0中红外激光器中铌酸锂减反射膜的激光损伤阈值，承受100毫焦量级的 1065nm激光，保证激光器稳定工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明工作于1065nm、1400-1600nm、3000-4000nm的三波段减反射膜理论 设计曲线示意图。
[0019] 图2厚度随机误差0. 03时模拟光谱曲线示意图。
[0020] 图3根据本发明工艺镀制的实际产品的测试结果的近红外曲线示意图。
[0021] 图4根据本发明工艺镀制的实际产品的测试结果的中红外曲线示意图。
【具体实施方式】
[0022] 参阅图1。根据本发明的高损伤阈值铌酸锂减反射膜的制作方法， (1)确定理论膜系，选取硫化锌ZnS作为高折射率材料，氟化镱YBF3为低折射率材料， 三氧化二铝A1203为中折射率材料，分别定义ZnS、A120 3和YBF3在λ /4的单位光学厚度为 Η、Μ和L，膜层厚度根据实验薄膜拉力实验和激光损伤实验确定。在计算机上，使用膜系设 计软件Essential Macleod,根据三波段的减反射要求的性能参数确定膜系的初始结构；在 薄膜的设计上，约束条件为在铌酸锂和第1层ybf3之间有一层A1203层。
[0023] (2)使用具有石英晶体振荡膜厚控制仪、具有组态软件和PLC硬件的全自动镀膜 机，根据上述获得的理论膜系结构，制作出该镀膜机自动控制用的模板控制文件； (3)在镀膜机内装入选定的镀膜材料，ZnS采用阻蒸方式，A1A和YBF3采用电子束蒸 发方式，镀膜机按选定的模板控制文件自动完成减反射膜的制作。 为了解决铌酸锂LiNb03i镀膜的附着力和提高激光损伤阈值的需要，可以采用过渡 材料氧化铝A1203，镀膜后产品可承受胶带纸拉扯，具体厚度通过激光损伤实验确定，将氧 化铝A1A厚度作为薄膜设计优化的约束条件，即不优化氧化铝厚度，对1040-1080nm、 1400-1600nm、3000-4000nm的残余反射率建立设计目标函数，设反射率R( λ D理想波长点 的反射率，残余反射率R'（λ J为理论波长点的残余反射率，Wi为任意波长点权重，则平方 和Σ& (R(Ai)-R'（λ^)2为优化评价函数，考虑到三个波长上理论目标反射率为〇,且三 个波长上优化的程度一致，权重应该一致，权重 Wi统一设为1，近红外投点密度为5nm，中红 外为40nm。首先，选取ZnS作为高折射率材料H，Al2 03为中折射率材料M，YbF3为低折射 率材料L，以波长λ为l〇65nm，分别定义ZnS、A1 2 03、YbF3在入/4的单位光学厚度为!1、皿 和L，再确定初始膜系，设膜系初始结构为铌酸锂/MHLHL/空气，以5-11层为初始膜系，分别 进行优化。减反射膜的性能参数为通带平均残余反射率小于1%。在计算机上，使用膜系设 计软件Essential Macleod对上述H/M/L进行模拟，按5层、7层、9层、，11层分别设计出若 干膜系结构，根据控制方法的要求，通过随机误差筛选的方法，选取一个最优膜系设计。膜 系选择的原则是：满足设计残余反射率要求，无超薄超厚层、随机误差影响小，最后确定减 反射膜的膜系结构为： 三波段减反射膜基板/应力匹配层/抗损伤过渡层/光学减反射膜系/空气。即铌酸 锂减反射膜的膜系结构为： 基板/0· 12M4. 056H1. 054M0. 837H1. 605L0. 534H3. 123L/空气，设计参考波长 600nm。基 底材料为铌酸锂，光谱减反射范围1040-1080nm、1400-1600nm、3000-4000nm平均残余反射 率小于1%，激光损伤阈值大于3J/cm2。
[0024] 从图1可以看出，最后优选出的7层减反射膜理论设计残余反射光谱图。在图2 所示用相对误差〇. 03的厚度随机误差模拟的残余反射分布图中，可以看出，在这样的随机 误差下，薄膜的理论曲线仍然满足设计要求，设计具有好的容差和工艺性。
[0025] 减反射膜实际制作时，使用具有石英晶体振荡膜厚控制仪XTC2、经改造后由"组 态王"软件和西门子S7-300PLC控制的全自动镀膜机，膜厚控制软件为自行开发。然后，根 据获得的理论膜系和镀膜机的工具因子，从Essential Macleod软件中导出膜系结构文件 (输出到和EXCEL兼容的CSV格式文件)，将厚度和膜系结构数据拷贝到EXCEL模板文件(为 TXX550镀膜机控制系统的标准文件)，通过专用的转换软件转换为TXT格式文本文件，其数 据结构排列方式符合TXX550镀膜机控制软件读取格式，即制作出了该膜系在镀膜机自动 控制用的模板控制文件。对不同的材料蒸发特性，可以采用不同的蒸发源，硫化锌ZnS材料 易分解，采用阻蒸蒸发，控制蒸发电流来控制ZnS材料的蒸发温度，保证ZnS不分解和稳定 的工具因子，化学性能相对稳定的氧化铝A1 203和氟化镱YbF3采用电子枪蒸发，精密的厚度 监控由石英晶体振荡膜厚控制仪来实现，通过控制软件读取前面制作的模板文件，按模板 文件数据（即前述膜系结构）逐层读出，数据送入XTC200石英晶体振荡膜厚控制仪，软件控 制相应的阻蒸和电子枪，XTC200膜厚仪送出膜层结束信号，逐层完成膜系的镀制。
[0026] 图3和图4分别是使用本发明实际生产的三波段减反射膜在Lamdal050分光光度 计绝对反射率测试结果和Spectrum Optical GX傅里叶光谱仪反射率测试结果，从图中可 以看到，实际制成的产品残余反射率稍满足设计技术指标的要求，接近理论设计要求。
[0027] 对镀膜后铌酸锂晶体进行激光损伤阈值测试，其激光损伤阈值在3J/cm2左右，用 激光共聚焦扫描显微镜观察损伤点并定量测量损伤形貌，膜系的设计总厚度为930nm，实际 测得的损伤斑的深度为数十um以上，损伤的起始点不是从薄膜开始的，是从铌酸锂本身的 内部缺陷引起，膜系本身是能耐受激光的，激光实验结果也证明本发明可以很好地应用于 100毫焦的l〇65nm激光器件中。
【权利要求】
1. 一种抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 确定理论膜系，以光学干涉薄膜理论为膜系结构为基础，选取ZnS作为高折射率 材料，氟化镱YbF3为低折射率材料，以600nm为减反射膜为参考波长，分别定义ZnS、A1 203 和YbF3在λ /4的单位光学厚度为Η、Μ和L，在减反射膜基底表面增加一层A1203层，作为 应力匹配和抗激光损伤层，在计算机上，使用膜系设计软件，根据1065nm、1400-1600nm、 3000-4000nm三个段减反射膜减反射要求，确定铌酸锂减反射膜的膜系结构； (2) 使用具有石英晶体振荡膜厚控制仪、基于组态软件和PLC硬件控制的全自动镀膜 机，根据上述获得的理论膜系结构，制作出该镀膜机自动控制用的模板控制文件； (3) 在镀膜机内装入选定的镀膜材料，采用阻蒸和电子枪混合蒸发的沉积方式，镀膜机 按选定的模板控制文件，自动完成减反射膜的制作。
2. 如权利要求1所述的抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法，其特征在于， 所述膜系结构为：基板/应力匹配层/抗损伤过渡层/光学减反射膜系/空气。
3. 如权利要求1所述的抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法，其特征在于， 所述铌酸锂减反射膜的膜系结构为： 基板 /0. 12M4. 056H1. 054M0. 837H1. 605L0. 534H3. 123L/ 空气，设计参考波长 600nm。
4. 如权利要求1所述的抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法，其特征在于， 基底材料为铌酸锂，光谱减反射范围1040-1080nm、1400-1600nm、3000-4000nm平均残余反 射率小于1%，激光损伤阈值大于3J/cm2。
5. 如权利要求1所述的抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法，其特征在于， ZnS材料采用阻蒸蒸发，A1203和YbF3采用电子枪蒸发，厚度监控由石英晶体振荡膜厚控制 仪来实现的。
6. 如权利要求1所述的抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法，其特征在于， 对1040-1080nm、1400-1600nm、3000-4000nm的残余反射率建立设计目标函数，设反射率 R(Ai)理想波长点的反射率，残余反射率R'（λ J为理论波长点的残余反射率，&为任意波 长点权重，则平方和2Wi (lUAj-RMAi))2为优化评价函数，三个波长上理论目标反射率 为0,权重Wi统一设为1,近红外投点密度为5nm,中红外为40nm。
7. 如权利要求1所述的抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法，其特征在于， 减反射膜的性能参数为通带平均残余反射率小于1%。
8. 如权利要求1所述的抗激光损伤铌酸锂三波段减反射膜的制作方法，其特征在于， 根据获得的理论膜系和镀膜机的工具因子，从Essential Macleod软件中导出膜系结构文 件，将厚度和膜系结构数据拷贝到EXCEL模板文件，通过转换软件转换为TXT格式文本文 件，制作出该膜系在镀膜机自动控制用的模板控制文件。
【文档编号】G02B1/11GK104062693SQ201310088760
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月20日 优先权日:2013年3月20日
【发明者】马孜, 郑环其, 姚德武, 肖琦 申请人:西南技术物理研究所