一种光学薄膜强化方法及激光强化装置与流程

本公开涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种光学薄膜强化方法及激光强化装置。

背景技术

传统热退火处理主要在高温炉中缓慢加热进行，通过热对流和传导方式进行加热，升温速度较慢，同时炉内加热还有可能在元件表面引入污染。激光热处理是一种高效率、非接触无污染的加热处理方法，对光学薄膜通过激光热处理、可以快速降低膜层内部缺陷。

原子层沉积(atomiclayerdeposition，ald)是一种新型的薄膜制备方法，基于自限制化学吸附反应的ald方法镀膜可以实现控制光学薄膜沉积厚度原子级可控，沉积薄膜的均一性好并且能够基本维持基板的粗糙度和表面形状，在曲面光学元件镀膜、半导体绝缘层高深宽比保形沉积方面具有重要的应用价值。利用ald方法沉积的薄膜存在膜层内部缺陷，在强激光作用条件下，可能会面临激光诱导损伤问题，因此通过ald方法沉积的薄膜元件难以满足强激光元件应用需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提供一种光学薄膜强化方法及激光强化装置。

本公开提供的一种光学薄膜强化方法，应用于激光强化装置，所述激光强化装置预存有激光功率与光学薄膜参考样品表面温度的对应关系，所述光学薄膜是由原子层沉积法制备所得；所述方法包括：

以第一预设温度对应的第一功率对待处理的光学薄膜进行激光扫描。

扫描完成后，以第二预设温度对应的第二功率对扫描过后的光学薄膜进行二次激光扫描。

其中，所述第一预设温度高于所述第二预设温度。

进一步的，激光功率与光学薄膜参考样品表面温度的对应关系通过以下步骤获得：

输出激光光束，调节所述激光光束的占空比、脉冲宽度和输出功率。

调节所述激光光束的光斑尺寸。

对调节后的激光光束进行聚焦。

将聚焦后的激光光束以不同功率对所述光学薄膜参考样品进行扫描，获得所述激光功率与所述光学薄膜参考样品表面温度的对应关系。

进一步的，所述激光光束的脉冲宽度为10－500μs可调，所述激光光束的输出功率0－50w可调。

进一步的，根据所述激光功率与所述光学薄膜参考样品表面温度的对应关系，获得500k￣2000k内不同温度对应的激光功率。

进一步的，获得所述激光功率与所述光学薄膜参考样品表面温度的对应关系的步骤包括：

调节所述激光光束的激光脉冲至单发模式。

调节所述激光光束的输出功率。

测得在对应的输出功率下所述激光光束作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度，从而得到所述激光功率与所述光学薄膜参考样品表面温度的对应关系。

进一步的，测得在对应的输出功率下所述激光光束作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度的步骤包括：

测得所述激光脉冲的下降沿信号。

根据所述下降沿信号测得所述激光脉冲作用点结束时刻的辐射光谱。

根据所述辐射光谱拟合获得所述激光光束作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度。

本公开提供一种激光强化装置，所述激光强化装置用于对待处理的光学薄膜进行强化，所述待处理的光学薄膜通过原子沉积法制备。

所述激光强化装置预存有激光功率与光学薄膜参考样品表面温度的对应关系。

所述激光强化装置包括激光器，所述激光器用于输出激光光束并对待处理的光学薄膜以第一预设温度对应的第一功率进行激光扫描，且以第二预设温度对应的第二功率对扫描过后的光学薄膜进行二次激光扫描。

其中所述第一预设温度高于所述第二预设温度。

进一步的，所述装置还包括声光调制器、光束整形部件、扫描振镜和透镜。

所述声光调制器用于调节所述激光光束的占空比、脉冲宽度和输出功率。

所述光束整形部件用于调节所述激光光束的光斑尺寸。

所述透镜和所述扫描振镜用于对调节后的激光光束进行聚焦，并通过聚焦后的激光光束对所述待处理的光学薄膜进行激光扫描。

进一步的，所述装置还包括光谱仪、增强电荷耦合器件和光电探测器；所述光电探测器与所述增强电荷耦合器件连接，所述光谱仪与所述增加电荷耦合器件连接。

所述光电探测器用于测得所述激光光束的激光脉冲的下降沿信号，并将信号传递至所述增强电荷耦合器件。

所述增强电荷耦合器件用于触发所述光谱仪，以使所述光谱仪测得所述激光脉冲作用点结束时刻的辐射光谱。

所述光谱仪用于根据所述辐射光谱拟合获得所述激光光束作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度。

进一步的，所述激光强化装置还包括工作台；所述工作台用于盛放待处理的光学薄膜，所述激光器用于对盛放于所述工作台的所述待处理的光学薄膜进行激光扫描。

本公开提供的一种光学薄膜强化方法及激光强化装置，以第一预设温度对应的第一功率对通过原子沉积法制备的光学薄膜进行激光扫描，以降低薄膜层内部的缺陷，提高薄膜抗激光损伤性能；扫描完成后，再以第二预设温度对应的第二功率对扫描过后的光学薄膜进行二次激光扫描，以减小薄膜残余应力，通过激光扫描对光学薄膜进行强化，使原子层沉积的光学薄膜能应用于强激光条件，满足强激光元件应用需求。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本公开的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本公开的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本公开提供的一种激光强化装置的光路示意图。

图2是本公开提供的一种光学薄膜强化方法的流程示意图。

图3是本公开提供的一种光学薄膜强化方法的另一种流程示意图。

图4是本公开提供的一种光学薄膜强化方法的又一种流程示意图。

图5是本公开提供的一种光学薄膜强化方法的又一种流程示意图。

图标：100－激光强化装置；10－激光器；20－声光调制器；21－光陷阱；30－第一反射镜；31－第二反射镜；40－光谱仪；41－光纤探头；50－增强电荷耦合器件；51－光电探测器；52－光楔；60－光束整形部件；70－扫描振镜；80－透镜；90－工作台。

具体实施方式

下面将结合本公开中附图，对本公开中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本公开的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本公开的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本公开的范围，而是仅仅表示本公开的选定实施例。基于本公开的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

传统热退火处理主要在高温炉中缓慢加热进行，通过热对流和传导方式进行加热，升温速度较慢，同时炉内加热还有可能在元件表面引入污染。激光热处理是一种高效率、非接触无污染的加热处理方法，对光学薄膜通过激光热处理、可以快速降低膜层内部缺陷。

原子层沉积是一种新型的薄膜制备方法，利用原子层沉积方法沉积的薄膜在强激光元件应用中可能会面临激光诱导损伤问题，且通过原子沉积薄膜元件难以满足强激光元件应用需求。

基于上述研究，本公开提供一种光学薄膜强化方法及激光强化装置，以改善上述问题。

本公开提供的一种光学薄膜强化方法，应用于如图1所示的激光强化装置100，所述激光强化装置100预存有激光功率与光学薄膜参考样品表面温度的对应关系，所述光学薄膜是由原子层沉积法制备而得。

请结合参阅图1，图1为本公开所提供的激光强化装置100结构示意图，所述激光强化装置100包括有激光器10、声光调制器20、第一反射镜30、第二反射镜31、光束整形部件60、扫描振镜70、透镜80。

所述激光器10用于输出激光光束并对待处理的光学薄膜以第一预设温度对应的第一功率进行激光扫描，且以第二预设温度对应的第二功率对扫描过后的光学薄膜进行二次激光扫描，所述第一预设温度高于所述第二预设温度。

所述激光器10以所述第一预设温度对应的第一功率对待处理的光学薄膜进行扫描，以降低薄膜层内部的缺陷，提高薄膜抗激光损伤性能，以所述第二预设温度对扫描过后的光学薄膜再次进行扫描，以减小薄膜残余应力。

其中，所述激光器10可以为近红外激光器、中远红外激光器，可选的，本公开为中远红外激光器，进一步的，本公开选择二氧化碳激光器。

所述声光调制器20用于调制从所述激光器10输出的激光光束的占空比、脉冲宽度和输出功率。所述激光光束经过所述声光调制器20调制后，呈现多级衍射光，其中，零级衍射光被所述光陷阱21吸收，一级衍射的激光光束入射至所述第一反射镜30，所述第一反射镜30用于改变光路，使入射至所述第一反射镜30的激光光束反射至所述第二反射镜31，所述第二反射镜31使反射至所述第二反射镜31的激光光束再次反射至所述光束整形部件60。

进一步的，所述光束整形部件60用于调节反射至所述光束整形部件60的激光光束的光斑尺寸，可选的，所述光束整形部件60为可变扩束镜。经过调节后的激光光束传递至所述扫描振镜70，所述扫描振镜70用于根据光斑的实际尺寸和所述激光器10输出的激光光束的激光脉冲重复频率设置扫描速度，再利用所述透镜80和所述扫描振镜70组合对调节后的激光光束进行聚焦，使调节后的激光光束能照射到待处理的光学薄膜表面，进而对待处理的光学薄膜以设置的扫描速度进行扫描。其中，所述激光器10的激光脉冲重复频率为1－20hz可调，光斑的实际尺寸可通过光束分析仪测得。

所述激光器10输出的激光光束为准直光束，经过所述声光调制器20、第一反射镜30、第二反射镜31、光束整形部件60、扫描振镜70和透镜80的激光光束依旧为准直光束。

进一步的，所述激光强化装置100还包括光谱仪40、增强电荷耦合器件50和光电探测器51。所述光电探测器51与所述增强电荷耦合器件50连接，所述光谱仪40与所述增强电荷耦合器件50连接。所述光电探测器51用于测量所述激光光束的激光脉冲的下降沿信号，并将信号传递至所述增强电荷耦合器件50。其中，为了更好的测量所述激光脉冲的下降沿信号，在所述激光脉冲经过的光路上设置光楔52，可选的，本公开将所述光楔52设置于所述第一反射镜30和所述第二反射镜31之间。所述光楔52用于调节所述激光脉冲的光量，使部分微弱的光发生折射，进而可使所述光电探测器51测得所述激光脉冲的下降沿信号，并将信号传递至所述增强电荷耦合器件50。

所述增强电荷耦合器件50用于接收到信号后触发所述光谱仪40，所述光谱仪40包括光纤探头41，所述光谱仪40通过所述光纤探头41测得所述激光脉冲作用点结束时刻的辐射光谱，并根据所述辐射光谱拟合获得所述激光光束作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度。

进一步的，所述激光强化装置100还包括工作台90；所述工作台90用于盛放待处理的光学薄膜，所述激光器10用于对盛放于所述工作台90的所述待处理的光学薄膜进行激光扫描。

请结合参阅图2，是本公开所提供的一种光学薄膜强化方法的流程示意图，所述方法有关的流程所定义的方法步骤应用于所述激光强化装置100，可以由所述激光强化装置100实现。下面将对图2所示的具体流程进行详细阐述。

所述方法包括：

步骤s10：第一预设温度对应的第一功率对待处理的光学薄膜进行激光扫描。

步骤s11：描完成后，以第二预设温度对应的第二功率对扫描过后的光学薄膜进行二次激光扫描。

其中，所述第一预设温度高于所述第二预设温度。

进一步的，所述光学薄膜可以为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、碳化硅、二氧化钛薄膜等光学薄膜；可选的，本公开为二氧化硅薄膜。进一步的，当本公开的光学薄膜选择为二氧化硅薄膜时，所述第一预设温度则应低于石英玻璃软化温度，即所述第一预设温度应小于等于1900k，所述第一预设温度控制在石英玻璃软化温度以下，以确保激光扫描，热处理降低薄膜缺陷过程中不会引起元件表面光学质量(如粗糙度、面形等)的降低。这里薄膜的缺陷是指薄膜在成膜时形成的晶格缺陷，包括点缺陷、线缺陷及面缺陷。

第一次扫描完成过后，薄膜存有残余应力，进而以第二预设温度对应的第二功率对二氧化硅光学薄膜再次进行激光扫描，以减小薄膜的残余应力。所述第二预设温度低于所述第一预设温度，其中若第一预设温度设定为1900k，则第二预设温度可以设定为800k－1500k；所述第二预设温度根据所述第一预设温度的设定而设置。相应地，该过程由图1中激光器10执行。

进一步的，请结合参阅图3，所述激光强化装置100中预存的激光功率与光学薄膜参考样品表面温度的对应关系通过以下步骤获得：

步骤s20：输出激光光束，调节所述激光光束的占空比、脉冲宽度和输出功率。

其中，所述激光光束的脉冲宽度为10－500μs可调，可选的，本公开所述激光光束的脉冲宽度选择50μs。所述激光光束的脉冲功率为0－50w可调。相应地，此步骤由图1中声光调制器20及激光器10执行。

步骤s21：调节所述激光光束的光斑尺寸。

其中，所述激光光束的光斑尺寸可以为10－20mm，可选的，本公开所述激光光束的光斑尺寸选择为14mm。相应地，此步骤由图1中光束整形部件60执行。

步骤s22：对调节后的激光光束进行聚焦。

其中，通过光束分析仪对聚焦后的光束光斑进行测量，进而获得聚焦面的光束直径，可选的，本公开聚焦后的激光光束直径为250μm。相应地，此步骤由图1中扫描振镜70和透镜80执行。

步骤s23：将聚焦后的激光光束以不同功率对所述光学薄膜参考样品进行扫描，获得所述激光功率与所述光学薄膜参考样品表面温度的对应关系。

进一步的，根据所述激光功率与所述光学薄膜参考样品表面温度的对应关系，可以获得500k￣2000k内不同温度对应的激光功率。比如，若采用激光对光学薄膜进行扫描热处理，需要所述第一预设温度时，查找到与所述第一预设温度对应的第一功率，则可设置所述激光强化装置100的输出功率为所述第一功率，从而对光学薄膜进行扫描。相应地，此步骤由图1中光谱仪40、增强电荷耦合器件50和光电探测器51执行。

进一步的，获得所述激光功率与所述光学薄膜参考样品表面温度的对应关系的步骤包括：

步骤s30：调节所述激光光束的激光脉冲至单发模式。

步骤s31：调节所述激光光束的输出功率。

步骤s32：测得在对应的输出功率下所述激光光束作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度，从而得到所述激光功率与所述光学薄膜参考样品表面温度的对应关系。相应地，该过程由图1中声光调制器20、光谱仪40、增强电荷耦合器件50和光电探测器51执行。

其中，每调节一次所述激光光束的输出功率，则需要测得所述激光光束在该输出功率下作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度，通过多次调节，以不同的输出功率，对所述光学薄膜参考样品进行扫描，再测得对应输出功率下，激光光束作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度，进而获得所述激光功率与所述光学薄膜参考样品表面温度的对应关系。

进一步的，请结合参阅图5，测得在对应的输出功率下所述激光光束作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度的步骤包括：

步骤s40：测得所述激光脉冲的下降沿信号。

相应地，此步骤由图1中光电探测器51执行。

步骤s41：根据所述下降沿信号测得所述激光脉冲作用点结束时刻的辐射光谱。

相应地，此步骤由图1中光谱仪40和增强电荷耦合器件50执行。

步骤s42：根据所述辐射光谱拟合获得所述激光光束作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度。

相应地，此步骤由图1中光谱仪40执行。

其中，所述激光光束已调至单发模式，即所述激光光束为单脉冲，当所述激光光束对所述光学薄膜参考样品进行扫描时，在所述激光光束前端测得所述激光脉冲的下降沿信号，该信号会触发所述光谱仪40，进而所述光谱仪40测得所述激光脉冲作用点结束时刻的辐射光谱，根据所述辐射光谱可则获得所述激光光束作用于所述光学薄膜参考样品表面的温度。

在上述过程中，在获得所述激光功率与所述光学薄膜参考样品表面温度的对应关系后，则可根据激光脉冲重复频率和光斑实际尺寸设置扫描速度，对所述待处理的光学薄膜进行扫描热处理。其中本公开所采用的激光光束，其脉冲重复频率为1－20hz可调，根据激光脉冲重复频率和光斑实际尺寸设置扫描速度时，使得扫描相邻光斑的间隔距离为光斑尺寸的1/3，如在20hz重频、光斑尺寸250μm下，扫描速度为1.67mm/s。相邻光斑间隔距离为250μm/3＝83.3μm，相邻光斑时间是1/20hz＝0.05s，则扫描速度为83.3μm/0.05s＝1.67mm/s。

上述过程中，本公开采用的激光可以为近红外激光、中远红外激光，可选的，本公开为中远红外激光，进一步的，本公开选择二氧化碳激光。

本公开提供的一种光学薄膜强化方法，通过原子沉积法制备光学薄膜，以第一预设温度对应的第一功率对光学薄膜进行激光扫描，以降低薄膜层内部的缺陷，提高薄膜抗激光损伤性能；扫描完成后，以第二预设温度对应的第二功率对扫描过后的光学薄膜进行二次激光扫描，以减小薄膜残余应力，通过两次激光热处理对光学薄膜进行强化，使原子层沉积的光学薄膜能应用于强激光条件，满足强激光元件应用需求。

本公开提供一种激光强化装置100，所述激光强化装置100用于对待处理的光学薄膜进行强化，所述待处理的光学薄膜通过原子沉积法制备；

所述激光强化装置100预存有激光功率与光学薄膜参考样品表面温度的对应关系。

所述激光强化装置100包括激光器10，所述激光器10用于输出激光光束并对待处理的光学薄膜以第一预设温度对应的第一功率进行激光扫描，且以第二预设温度对应的第二功率对扫描过后的光学薄膜进行二次激光扫描。

其中所述第一预设温度高于所述第二预设温度。所述激光器10以所述第一预设温度对应的第一功率对待处理的光学薄膜进行扫描，以降低薄膜层内部的缺陷，提高薄膜抗激光损伤性能，以所述第二预设温度对扫描过后的光学薄膜再次进行扫描，以减小薄膜残余应力。

本公开提供的光学薄膜强化方法应用于所述激光强化装置100，进而，通过所述激光强化装置100对光学薄膜进行强化，其过程可参照对上述方法的解释说明。通过所述激光强化装置100用于对原子层沉积的光学薄膜进行激光强化处理，使经过强化处理的光学薄膜能应用于强激光条件。

综上，本公开提供的一种光学薄膜强化方法及激光强化装置，通过原子沉积法制备光学薄膜，以第一预设温度对应的第一功率对光学薄膜进行激光扫描，以降低薄膜层内部的缺陷，提高薄膜抗激光损伤性能；扫描完成后，以第二预设温度对应的第二功率对扫描过后的光学薄膜进行二次激光扫描，以减小薄膜残余应力，通过激光扫描对光学薄膜进行强化，使原子层沉积的光学薄膜能应用于强激光条件，满足强激光元件应用需求。

在本公开所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本公开的实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素，此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本公开的可选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。