一种适用于紫外激光器的355nm高反薄膜的制备方法与流程

本发明属于光学薄膜领域，具体涉及一种紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜的制备方法，在离子源辅助镀制的规整hfo2/sio2膜堆外层，加镀屏蔽离子源的以al2o3结尾非规整al2o3/sio2膜堆，能够有效提高抗激光损伤性能。

背景技术：

1、激光器是20世纪人类科技四大发明之一，据统计，2022年我国激光器整体市场规模已达 918 亿元，激光器及激光加工设备所需的光学镀膜镜片超过30亿元/年，与此同时，激光在制造业的应用比例仅为30%，激光器相关产业在我国工业体系中拥有广阔的市场前景。

2、紫外激光器产生的紫外波段激光工作波长短，易聚焦，可以直接破坏物质的化学键，常被用来加工红外光和可见光激光器无法加工的材料，广泛的应用于半导体产业、陶瓷及铜质合金等材料的超精细加工，如柔性电路板钻孔切割，发光二极管蓝宝石衬底划刻、太阳能电池板切割、医疗器械标记等。光学薄膜是紫外激光器的关键组成部分，在激光产生、传输、调制、合成的过程中具有重要作用，对于紫外激光器反射镜元件，高反薄膜的反射率和抗激光损伤能力是影响激光器输出功率和光束质量关键因素。目前，国产高功率紫外激光器所需的高端薄膜产品主要依赖进口，就紫外超快激光器而言，国产主要为50w以内的低功率产品，在我国的销量占比已超过五成，但单机价格较低，而进口的紫外超快激光器配备有高端薄膜产品，多为单机价格高的高功率产品，其销量仅为四成，却瓜分了接近70%的销售收入，国内薄膜技术发展迟缓俨然成为制约高功率激光器发展的主要瓶颈之一。

3、目前，国内镀制355nm高反薄膜的主要方式为采用离子源辅助交替镀制规整1/4波长厚度的氧化铪hfo2和氧化硅sio2，此方法制备的薄膜具有较高的反射率，但随着紫外激光器功率的攀升，其主要存在三个问题：（1）受限于hfo2材料较窄的带隙宽度，薄膜中处于平衡态的电子吸收光子容易达到激发态，摆脱原子束缚，导致膜层结构损伤；（2）在离子源辅助沉积下，源气体荷能离子轰击会引起沉积原子的二次溅射，导致显微缺陷密度升高，膜层内应力增大；（3）以低折射率材料sio2为结尾的规整膜系在外层具有较高的电场强度，薄膜外层吸收损耗较大。以上缺陷均会造成薄膜的激光损伤阈值下滑，薄膜经激光辐照后，材料通过吸收激光能量而导致微观状态发生改变，在激光功率较低时这种改变难以转变为宏观的损伤现象，但是当激光功率达到一定程度时，激光便会引起材料出现击穿、熔融、气化等，最终导致激光辐照区域出现不可逆的损伤，无法承载高功率激光器的运行。光学薄膜元件一旦损坏，难以完全修复，且更换成本高，维护周期长，最终带来不可挽回的损失。

4、综上所述，传统的355nm高反薄膜的镀制方式受限于其膜系结构、材料带隙和离子源工艺，难以获得紫外激光器用高激光损伤阈值355nm高反薄膜。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点，提供一种紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜的制备方法，在离子源辅助镀制的规整hfo2/sio2膜堆外层加镀屏蔽离子源的以al2o3结尾非规整al2o3/sio2膜堆，能够有效提高抗激光损伤性能。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜的制备方法，从优化镀膜材料组成和薄膜外层结构的角度出发，先采用离子源产生的等离子体辅助镀制15个周期的规整1/4波长厚度的hfo2层和sio2层，再屏蔽离子源继续镀制0.8al2o3、1.2sio2、0.8al2o3、1.2sio2、0.8al2o3、1.2sio2、0.8al2o3外层膜系，具体镀制步骤如下：

3、（1）将基底清洁并装入镀膜机中，基底为石英材质；

4、（2）控制镀膜机腔室内真空度达到9.0×10-4，基底温度稳定到210℃，启动离子源进行基底镀膜面预清洗6min；

5、（3）在离子源辅助下，利用电子束蒸发交替镀制15个周期的规整1/4波长厚度的hfo2层和sio2层；

6、（4）打开离子源遮蔽挡板，利用电子束蒸发依次镀制0.8al2o3、1.2sio2、0.8al2o3、1.2sio2、0.8al2o3、1.2sio2、0.8al2o3，外层膜系共7层，其中0.8、1.2代表规整1/4波长光学厚度的倍数；

7、（5）镀制完成后，紫外高反薄膜共37层，膜系为sub[(hl)15(0.8a1.2l)30.8a]air，其中h和l分别为采用离子源辅助沉积的hfo2和sio2，a和l分别为遮蔽离子源沉积的al2o3和sio2，sub为石英基底，air为空气气氛，待体系冷却，取出镀有高反薄膜的基底。

8、所述基底为石英材质的反射镜。

9、本发明所述步骤（4）中打开离子源遮蔽挡板，阻挡源气体产生的等离子体，减少薄膜外层沉积原子的二次溅射，降低外膜层内应力，离子源气体充量不变，维持真空腔室环境稳定，步骤（3）和步骤（4）中hfo2、al2o3和sio2三种材料的离子源阳极电压、阳极电流和中和器电流参数分别为hfo2：170v、5a、300ma，al2o3和sio2均为：150v、2a、200ma；hfo2、al2o3和sio2三种材料的源氧气充量为24sccm、15sccm和14sccm。

10、本发明还提供利用上述方法制备得到的紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜。

11、本发明针对薄膜外层容易发生激光损伤的问题，在高反薄膜外层采用屏蔽离子源的非规整al2o3/sio2膜堆代替传统工艺的hfo2/sio2膜堆。al2o3材料的禁带宽度为8.8ev，大于hfo2材料的5.6ev，当一定量的激光能量作用于薄膜时，外层al2o3/ sio2膜堆只有少量的浅能级电子被激发到导带，并且其积聚密度不足以导致薄膜发生损伤，在激光辐照结束后这些电子再次衰退到深能级，并且屏蔽离子源后，镀膜真空环境稳定，al2o3/sio2外膜层结晶度降低，内应力小，具有非晶态的性质，起到缓冲层的作用，从而使薄膜的阈值获得大幅度提高，本发明高反膜的激光损伤阈值达到23.7mw·cm-2。

12、本发明与现有技术相比，采用三材料双膜堆体系，hfo2/sio2膜堆可有效的保证高反膜反射率大于99.5%，符合紫外激光器反射镜反射率的要求；在外层镀制屏蔽离子源的以al2o3结尾的非规整al2o3/ sio2膜堆能有效改善外层结构，降低外层电场强度和薄膜内应力，膜层的吸收损耗降低，高反薄膜的激光损伤阈值进一步得到提高，达到23.7mw·cm-2，该薄膜制备方法高效易行，薄膜抗激光损伤性能提升效果明显，具有可重复性，适用于产业化生产，有利于减少国内紫外激光器产业对进口高端薄膜产品的依赖，在高功率紫外激光器领域具有极大的市场前景。

技术特征：

1.一种紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜的制备方法，其特征在于，先采用离子源产生的等离子体辅助镀制15个周期的规整1/4波长厚度的hfo2层和sio2层，再屏蔽离子源继续镀制0.8al2o3、1.2sio2、0.8al2o3、1.2sio2、0.8al2o3、1.2sio2、0.8al2o3外层膜系，具体镀制步骤如下：

2.根据权利要求1所述的紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜的制备方法，其特征在于，所述基底为石英材质的反射镜。

3.根据权利要求1所述的紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中关闭离子源遮蔽挡板，阻挡源气体产生的等离子体，减少薄膜外层沉积原子的二次溅射，降低外膜层内应力，离子源气体充量不变，维持真空腔室环境稳定。

4.根据权利要求1所述的紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（3）和步骤（4）中三种材料的离子源阳极电压、阳极电流和中和器电流参数分别为hfo2：170v、5a、300ma，al2o3和sio2均为：150v、2a、200ma；hfo2、al2o3和sio2三种材料的源氧气充量为24sccm、15sccm和14sccm。

5.根据权利要求1所述的紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）离子源预清洗的阳极电压、阳极电流和中和器电流为120v，2a，200ma，氧气充量为10sccm。

6.根据权利要求1所述的紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（3）和步骤（4）所述波长为紫外355nm。

7.利用权利要求1所述方法制备得到的紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜，其特征在于，紫外高反薄膜共37层，膜系为sub[(hl)15(0.8a1.2l)30.8a]air，其中h和l分别为采用离子源辅助沉积的hfo2和sio2，a和l分别为遮蔽离子源沉积的al2o3和sio2，sub为石英基底，air为空气气氛。

8.根据权利要求7所述紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜，其特征在于，其激光损伤阈值为23.7mw·cm-2。

技术总结本发明属于光学薄膜领域，具体涉及一种紫外激光器反射镜用高损伤阈值355nm高反薄膜的制备方法，先采用离子源产生的等离子体辅助镀制15个周期的规整1/4波长厚度的HfO<subgt;2</subgt;层和SiO<subgt;2</subgt;层，再屏蔽离子源继续镀制0.8Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、1.2SiO<subgt;2</subgt;、0.8Al2O3、1.2SiO<subgt;2</subgt;、0.8Al2O3、1.2SiO<subgt;2</subgt;、0.8Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;外层膜系；采用三材料双膜堆体系，HfO<subgt;2</subgt;/SiO<subgt;2</subgt;膜堆可有效的保证高反膜反射率大于99.5%；在外层镀制屏蔽离子源的以Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;结尾的非规整Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;/SiO<subgt;2</subgt;膜堆，能有效改善外层结构，降低外层电场强度和薄膜内应力，膜层的吸收损耗降低，高反薄膜的激光损伤阈值进一步得到提高，达到23.7MW·cm<supgt;‑2</supgt;；该制备方法高效易行，薄膜抗激光损伤性能提升效果明显，具有可重复性，适用于产业化生产，在高功率紫外激光器领域具有极大的市场前景。技术研发人员：寇洋,杨峰,胡泽政,张梦蝶,黄康受保护的技术使用者：齐鲁中科光物理与工程技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/8/1