一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置的制作方法

本发明涉及光学元器件镀膜技术领域，尤其涉及一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置。

背景技术：

高能激光凭借大能量的特点，在科研、国防、工业加工等领域具有重要应用。光学薄膜制备是限制高能激光能量/功率、光束质量等激光性能提升的关键技术之一，其原因在于：为降低光学器件表面菲涅尔损耗，提高光学器件透光性能，或为满足光束偏转、分光、偏振等要求，需在光学器件通光面镀制光学薄膜，光学薄膜需要承载高能量密度/功率密度高能激光的冲击，镀膜材料或者镀膜过程中的杂质粒子沉积在光学薄膜中，将吸收高能激光从而导致光学薄膜局部损伤，甚至导致整个光学薄膜的熔融、脱落等。因此，激光对光学薄膜元件的损伤是影响激光薄膜元件使用寿命的主因，也是限制激光向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”。

现有提高光学薄膜损伤阈值薄膜的技术途径主要分为两类：镀膜前的杂质缺陷控制技术，薄膜后处理技术。其中

镀膜前的杂质缺陷控制技术，主要是在镀膜前对光学器件通光面进行处理，具体措施包括基片超光滑抛光、基片超声波清洗、离子束清洗技术、膜料激发方式/辅助激发等。镀膜前的杂质缺陷控制技术可以有效减少膜料沉积前光学器件通光面的表面污染，但无法解决沉积过程中形成的杂质缺陷问题。

薄膜后处理技术是镀膜完成以后，采用离子束照射或者退火处理对薄膜(含基底)进行进一步氧化处理，或者采用低于目标损伤阈值的激光照射对薄膜中表面或一定深度的杂质缺陷进行预破坏处理。薄膜后处理技术可以对沉积后的光学薄膜进行修复完善，但无法排除或者降低沉积过程中引入的杂质缺陷。

镀膜处理过程中涉及激光处理技术时，激光在处理过程中不能破坏团簇的范数稳定性，若破坏，可以通过离子束辅助予以消除。

因此，现有提高光学薄膜损伤阈值薄膜的技术途径存在以下问题：

由于靶材材料纯度以及制作工艺限制，光学镀膜的靶材中不可避免的存在杂质粒子；另外，镀膜设备腔体内部环境复杂性，薄膜沉积过程中，不可避免的引入杂质；上述杂质附着在光学薄膜中成为光学薄膜的组成部分，当高能激光通过镀有光学薄膜的光学器件时，杂质颗粒对于所承载的激光产生吸收，局部产热导致光学薄膜损伤；现有提高光学薄膜损伤阈值薄膜的技术途径无法消除上述过程产生的杂质颗粒导致的薄膜损伤。

技术实现要素：

(一)本发明的目的

本发明的目的是为了提供一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置，主控台、真空腔、膜料盘、膜料、膜料激发源、辅助源、工件盘、薄膜厚度控制系统、控温系统、膜厚均匀性修正系统、真空腔观察窗、光学基片；其特征在于，还包括实时激光拦截装置；主控台，置于真空腔外，用于设置并实时显示镀膜时工艺参数；真空腔，用于提供光学镀膜所需的真空环境；膜料盘，置于真空腔内，用于放置膜料；膜料，提供形成光学薄膜所需材料；膜料激发源，置于真空腔内，用于产生高能粒子激发膜料盘中的膜料；辅助源，置于真空腔内，发射高速离子以增加所述激发后的膜料在目标方向的动能，并使其充分氧化；工件盘，置于真空腔内，用于固定待镀膜的光学基片；薄膜厚度控制系统，用于控制镀膜过程中膜层厚度；控温系统，置于真空腔内，用于提供薄膜生长所需温度环境；实时激光拦截装置，用于发射高能激光面阵，高能激光面阵能够实时清除真空腔中的杂质颗粒和/或激发后的膜料中的杂质颗粒，实现提纯作用，以及增加激发后的膜料的原子活性，从而提高成膜化学计量比。

进一步地，实时激光拦截装置包括：激光拦截装置控制台、激光器固定装置以及依次光学共轴设置的激光器、激光面阵发生器和激光能量匀化收集腔；所述激光拦截装置控制台，用于设置所述激光器工作参数并控制所述激光器的工作状态；所述激光面阵发生器，将从所述激光器发射的高能激光束形成呈空间分布的激光面阵；所述激光能量匀化收集腔，收集剩余激光；或将剩余激光与射入到所述激光能量匀化收集腔表面的激光呈一定角度反回，进而对激发膜料继续拦截，从而清除激发膜料以及真空腔中的杂质颗粒。

进一步地，激光面阵的传输方向与所述激发后的膜料的传输方向成一定夹角，使得激光面阵在沿被激发膜料和光学基片之间的方向传输形成激光拦截面,以实时拦截激发后的膜料以及真空腔中的杂质颗粒，实现提纯；或者，所述激光面阵直接照射光学基片的靶面以实时拦截激发后的膜料以及真空腔中的杂质颗粒，实现提纯。

进一步地，激光器数量为n台，所述激光拦截装置控制台还包括脉冲信号驱动器；所述脉冲信号驱动器输出n路驱动信号，n路驱动信号一一对应控制n台激光器的工作状态，n路驱动信号依次信号延迟，使得n台激光器发射的激光形成时间分布拦截阵列；其中，所述n为正整数。

进一步地，激光面阵发生器形成的激光面阵的功率密度高于光学薄膜目标损伤阈值。

进一步地，控温系统通过照射所述光学基片，控制光学基片的温度，提供薄膜生长所需温度环境；或者，所述控温系统控制整个真空腔的温度，提供薄膜生长所需温度环境。

进一步地，激光器的工作参数由该领域专业人员依据目标光学薄膜确定，所述工作参数包括波长、重复频率和脉冲宽度。

进一步地，实时激光拦截装置置于真空腔内。

进一步地，实时激光拦截装置置于真空腔外；所述真空腔还设置有激光窗口，所述激光拦截装置发射的高能激光透过所述激光窗口进入或穿过所述真空腔。

(三)有益效果

可见，本发明提供的一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置，在现有技术基础上增加实时激光拦截装置，镀膜过程中实时拦截并清理杂质颗粒。与现有技术相比，本发明实施例提供的装置可以实时拦截、清理杂质颗粒，实现边镀边提纯，同时增强化合反应达到理想化学计量比，提高光学薄膜的损伤阈值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明实施例1提供的一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置结构示意图；其中，激光拦截装置内置，激光照射光学基片靶面拦截/提纯；

图2是本发明实施例2提供的一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置结构示意图；其中，激光拦截装置内置，激光照射光学基片靶面拦截/提纯，光学基片独立控温；

图3是本发明实施例3提供的一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置示意图；其中，激光拦截装置外置，激光路径拦截/提纯，光学基片独立控温；

图4是本发明实施例4提供的一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置示意图；其中，激光拦截装置外置，激光路径拦截/提纯，光学基片独立控温。

附图标记：

1：主控台；2：真空腔；3：膜料盘；4：膜料；4-1：激发膜料；5：膜料激发源；5-1：高速激发粒子；6：辅助源；7：工件盘；8：薄膜厚度控制系统；9：控温系统；10：光学薄膜均匀性修正系统；11：光学基片；

2-1：真空腔门；22：真空腔观察窗；

12-1：激光拦截装置控制台；12-2：激光器固定装置；12-3：激光器；12-4：激光面阵发生器；12-5：激光能量匀化收集腔；12-51：第一凹面镜；12-52：第二凹面镜；12-6：信号线；12-7：激光面阵；

激光窗口13。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1是本发明实施例1提供的一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置结构示意图；其中，激光拦截装置内置，激光照射光学基片靶面拦截/提纯。

如图1所示，带箭头的实线表示为激光面阵12-7的传输方向。从膜料盘3到光学基片11的带箭头的虚线表示被激发的膜料4-1的传输方向，即被激发膜料沿着带箭头的虚线方向传输到光学基片11的靶面，在光学基片11表面形成薄膜。

一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置，包括主控台1、真空腔2、膜料盘3、膜料4、膜料激发源5、辅助源6、工件盘7、薄膜厚度控制系统8、控温系统9、膜厚均匀性修正系统10、真空腔观察窗11，还包括实时激光拦截装置。其中，

主控台1主控台置于真空腔外，为人机交互界面，用于设置镀膜时并实时显示工艺参数，如真空腔的真空度、膜料的选择、膜料激发源的功率、工件盘的旋转等。

真空腔，用于提供光学镀膜所需的真空环境。

可选的，真空腔2为圆柱形密封腔体。

可选的，真空腔2设置有门2-1用于取放镀膜材料、光学基片、光学镜片及维护维修真空腔内的器件。真空腔2还可以设置有真空腔观察窗22，真空腔观察窗位22于真空腔2腔体上，用于观察工作状态下膜料激发源、辅助源工作、控温系统等工作状态。

具体地，真空腔2配有抽真空系统，当镀膜准备工作结束门2-1关闭后，通过主控台1参数设置控制抽真空系统工作使得真空腔2内部成为真空环境。

膜料盘3、膜料激发源5、辅助源6、工件盘7均固定于真空腔2内：膜料盘3、膜料激发源5以及工件盘7成三角形固定放置，膜料4固定在膜料盘3上，光学基片11固定在工件盘7上，辅助源6固定于膜料激发源5与膜料盘3之间。

薄膜厚度控制系统8固定于真空腔2内，实时控制镀膜过程中膜层厚度，将其控制在优于预设值的±0.1％。

控温系统9固定于真空腔2内壁上，在主控台1设置参数控制下，照射真空腔控制整个真空腔的温度，提供薄膜生长所需温度环境；本实施例中，温度为200℃。

膜厚均匀性修正系统10固定于真空腔2内，在主控台1设置参数控制下，修正光学薄膜均匀性，将其控制在优于预设值的±0.5％。

实时激光拦截装置置于真空腔2内部，包括激光拦截装置控制台12-1、激光拦截装置固定装置12-2、激光器12-3、激光面阵发生器12-4，激光能量匀化收集腔12-5；激光拦截装置控制台12-1置于主控台1下方，激光器12-3固定于激光拦截装置固定装置12-2上，激光器12-3、激光面阵发生器12-4，激光能量匀化收集腔12-5固定于真空腔2内部且共轴放置；激光拦截装置控制台12-1通过信号线12-6与激光器12-3连接；本实施例中激光能量匀化收集腔12-5为光收集器。

在本实施例中，镀膜过程为：主控台设置真空腔2的真空度、膜料的选择、膜料激发源的功率、工件盘的转速；主控台参数设置后关闭真空腔开始抽真空；真空度达到设置值后，控温系统9照射真空腔控制整个真空腔的温度为200℃；膜料激发源5发射高速激发粒子5-1激发膜料4，所述被激发的激发膜料4-1成一定发散角溅射，部分溅射至光学基片11上，形成光学薄膜；辅助源6沿膜料盘3至工件盘7方向发射高速离子，用于增加所述被激发的激发膜料4-1在目标方向的动能并使其充分氧化；上述工作过程中薄膜厚度控制系统8实时控制镀膜过程中膜层厚度，将其控制在优于预设值的±0.1％，膜厚均匀性修正系统10，在主控台1设置参数控制下，修正光学薄膜均匀性，将其控制在优于预设值得±0.5％。

镀膜过程中，实时激光拦截装置工作过程为：激光器12-3发射激光经激光面阵发生器12-4以后形成空间分布的激光面阵12-7，本实施例中激光波长为1064nm；所述激光面阵12-7与光学基片11光学平面呈45°角照射光学基片11，实时提纯杂质颗粒/增加膜料原子活性，提高成膜化学计量比；所述激光面阵12-7经光学基片11光学平面反射至激光能量匀化收集腔12-5；激光面阵12-7面积为工件盘7面积的0.8倍。

实施例2

本实施例提供光学基片独立控温的一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置；本实施例结构与实施例1基本相同，如图2所示，不同之处在于：

1.拦截模块控制台12-1整合进主控台1，成为主控台1的组成部分。

2.激光器12-3为4x4激光器阵列，波长为1064nm，重频1khz，脉宽150μs；拦截模块控制台12-1接收输入信号后，发射驱动信号，每列之间按顺序依次时间延迟70μs，同行之间按顺序依次时间延迟250μs。

3.激光匀化收集腔12-5，将剩余激光与射入到所述激光能量匀化收集12-5表面的激光呈一定角度反回，进而对激发膜料继续拦截。具体地，本实施例中激光能量匀化收集腔12-5由两块曲率半径为r2000的第一凹面镜12-51和第二凹面镜12-52组成，第一凹面镜12-51与光轴呈-5°角放置，第二凹面镜12-52与光轴呈5°角放置，使得剩余激光与射入到激光能量匀化收集12-5表面的激光以10°的夹角反回。所述角度正负取值方法为：顺时针方向为正，逆时针方向为负；激光能量匀化收集腔12-5的第一凹面镜12-51、第二凹面镜12-52通光面镀有激光反射率大于90％的高反膜系。

4.控温系统9在主控台1设置参数控制下，照射工件盘上的光学基片11，控制光学基片11的温度，提供薄膜生长所需温度环境，本实施例中，温度为300℃。

5.激光面阵12-7面积与工件盘7面积相同。

镀膜过程为：主控台设置真空腔2的真空度、膜料的选择、膜料激发源的功率、工件盘的转速；主控台参数设置后关闭真空腔开始抽真空；真空度达到设置值后，控温系统9照射光学基片11控制其温度为300℃；膜料激发源5发射高速激发粒子51激发膜料4，所述被激发的激发膜料4-1成一定发散角溅射，部分溅射至光学基片11上，形成光学薄膜；辅助源6沿膜料盘3至工件盘7方向发射高速离子，用于增加所述被激发的激发膜料4-1在目标方向的动能并使其充分氧化；上述工作过程中薄膜厚度控制系统8实时控制镀膜过程中膜层厚度，将其控制在优于预设值的+/-0.1％，膜厚均匀性修正系统10，在主控台1设置参数控制下，修正光学薄膜均匀性，将其控制在优于预设值的+/-0.5％。

镀膜过程中实时激光拦截装置工作过程为：激光器阵列12-3发射激光经激光面阵发生器12-4后形成空间及时间分布均匀的激光面阵12-7，所述激光面阵12-7与光学基片11光学平面呈50°角照射光学基片11；所述激光面阵12-7部分能量用于实时清除杂质颗粒，增加膜料原子活性，提高成膜化学计量比，所述激光面阵12-7剩余部分能量经光学基片11端面反射，沿光轴方向传输至收集腔的凹面镜12-51回收后再次反射至学基片11，照射光学基片11实时清除杂质颗粒，增加膜料原子活性，提高成膜化学计量比，同理，剩余部分能量经光学基片11端面反射，沿光轴方向传输至收集腔的凹面镜12-52回收后再次反射至学基片11，照射光学基片11实时清除杂质颗粒，增加膜料原子活性，提高成膜化学计量比；以此类推，循环往复，实时清除杂质颗粒，增加膜料原子活性，提高成膜化学计量比。

实施例3

本实施例提供外置激光拦截装置，激光路径拦截/提纯，光学基片独立控温的一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置；本实施例结构与实施例2基本相同，相同之处不在赘述，仅论述不同之处，如图3所示，不同之处在于：

1.真空腔2还包括激光窗口13；

2.采用电子束蒸发式激发膜料；

3.工件盘7采用对于激光透过率大于90％的石英玻璃，激光能量匀化收集腔12-5固定于工件盘7上，所述激光能量匀化收集腔12-5为光收集器；

4.实时激光拦截装置置于真空腔外：激光器12-3、激光面阵发生器12-4，固定于真空腔2外部且共轴放置；激光器12-3、激光面阵发生器12-4、激光窗口13、光学基片11、工件盘7以及激光能量匀化收集腔12-5依次沿光轴光学共轴放置。

镀膜过程为：主控台设置真空腔2的真空度、膜料的选择、膜料激发源的功率、工件盘的转速；主控台参数设置后关闭真空腔开始抽真空；真空度达到设置值后，控温系统9照射光学基片11控制其温度为300℃；膜料激发源5发射高速电子束51激发膜料4，所述被激发的激发膜料4-1成一定发散角溅射，部分溅射至光学基片11上，形成光学薄膜；辅助源6沿膜料盘3至工件盘7方向发射高速离子，用于增加所述被激发的激发膜料4-1在目标方向的动能并使其充分氧化；上述工作过程中薄膜厚度控制系统8实时控制镀膜过程中膜层厚度，将其控制在优于预设值的±0.1％，膜厚均匀性修正系统10，在主控台1设置参数控制下，修正光学薄膜均匀性，将其控制在优于预设值的±0.5％。

镀膜过程中实时激光拦截装置工作过程为：激光器阵列12-3发射激光经激光面阵发生器12-4以后形成空间及时间分布均匀的激光面阵12-7，所述激光面阵12-7经激光窗口13传输进入真空腔2内部，沿光轴垂直入射光学基片11；所述激光面阵12-7部分能量用于实时清除杂质颗粒，增加膜料原子活性，提高成膜化学计量比，所述激光面阵12-7剩余部分能量经工件盘7传输至激光能量匀化收集腔12-5收集处理。

实施例4

本实施例提供的一种提高光学薄膜损伤阈值的大面激光薄膜制备装置，装置的结构与实施例3基本相同，相同之处不在赘述，仅论述不同之处，如图4所示，不同之处在于：

1、激光面阵的传输方向与激发后的膜料的传输方向成一定夹角，使得激光面阵在沿被激发膜料和光学基片之间的方向传输形成激光拦截面,以实时拦截激发后的膜料以及真空腔中的杂质颗粒，实现提纯。可选的，夹角为0-360°。

2、激光能量匀化收集腔12-5，收集穿过真空腔的激光面阵12-7的剩余激光。

3、激光面阵发生器12-4的功率密度为1000gw/cm²，光学薄膜的目标损伤阈值为800gw/cm²，以便于提高光学薄膜的实际损伤阈值。

镀膜过程中实时激光拦截装置工作过程为：激光器阵列12-3发射激光经激光面阵发生器12-4以后形成空间及时间分布均匀的激光面阵12-7，所述激光面阵12-7经激光窗口13传输穿过真空腔2；所述激光面阵12-7的部分能量用于实时清除杂质颗粒，增加膜料原子活性，提高成膜化学计量比，所述激光面阵12-7剩余部分能量被激光匀化收集腔12-5收集处理。