近日，中國科學(xué)院上海光機所邵建達(dá)研究員、朱美萍研究員與美國新墨西哥大學(xué)Wolfgang Rudolph教授等人合作基于可調(diào)諧納米疊層的思想設(shè)計紫外激光反射薄膜，實現(xiàn)了具有高反射率、寬帶寬和高激光損傷閾值的355nm激光反射薄膜。該設(shè)計思想為提高紫外激光薄膜性能開辟了新的途徑，為支撐高功率激光領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果于近期以“Nanolaminate-based design for UV laser mirror coating”在線發(fā)表在國際頂尖光學(xué)期刊《Light: Science & Applications》上。論文第一作者是中國科學(xué)院上海光機所朱美萍研究員，共同通訊作者為朱美萍研究員、Wolfgang Rudolph教授和邵建達(dá)研究員。
激光裝置輸出功率的不斷提升對激光薄膜的要求不斷提高。理想的紫外激光反射薄膜需要同時具有高的反射率、寬的反射帶寬和高的激光損傷閾值。然而，這些要求往往很難同時滿足。這是由于高的反射率和寬的反射帶寬需要高折射率的材料，然而較高折射率的材料往往具有較小的光學(xué)帶隙，因此具有較低的激光損傷閾值。過去通常采用組合膜系設(shè)計，即在具有高反射率的膜堆上沉積具有高激光損傷閾值的膜堆，來實現(xiàn)紫外激光反射薄膜。組合膜系的設(shè)計需要對反射率、帶寬和激光損傷閾值等相互制約的性能要求進(jìn)行權(quán)衡折衷。
在這項工作中，研究團(tuán)隊展示了一種基于共蒸界面納米疊層的“集高反射率和高激光損傷閾值于一體”的反射薄膜設(shè)計方法。在這種設(shè)計方法中，采用兩種材料交替的納米疊層作為一層具有高折射率和大光學(xué)帶隙的等效層，取代傳統(tǒng)組合膜系設(shè)計中的高折射率膜層。在保持總光學(xué)厚度不變的前提下，通過改變納米疊層中兩種材料的厚度比例，可以調(diào)節(jié)納米疊層薄膜的（平均）折射率和光學(xué)帶隙。這使得發(fā)展出同時具備高反射率和高激光損傷閾值的紫外反射薄膜成為可能。隨后，研究團(tuán)隊使用電子束沉積技術(shù)，在實驗上證明了基于Al2O3-HfO2納米疊層的反射薄膜在紫外波段具有更高的反射率、帶寬和激光損傷閾值，適用于紫外激光領(lǐng)域。與傳統(tǒng)組合膜系設(shè)計相比，該納米疊層設(shè)計的紫外激光反射薄膜（兩者總膜層厚度接近）具有若干優(yōu)點。首先，納米疊層設(shè)計薄膜在紫外波段具有更高的反射率和更寬的帶寬，同時在可見至近紅外波段具有更低的透射波紋；其次，納米疊層設(shè)計薄膜中電場強度隨膜層深度衰減的更快，節(jié)瘤缺陷引起的電場增強更低，薄膜中的吸收更低，從而具有更高的紫外激光損傷閾值；最后，該技術(shù)適用于大尺寸（對角線尺寸達(dá)米級）激光薄膜的制備。研究團(tuán)隊利用納米疊層的折射率和光學(xué)帶隙可調(diào)諧的特性來設(shè)計超越傳統(tǒng)紫外激光薄膜性能的新型紫外激光反射薄膜，為提高激光薄膜綜合性能提供了一種重要的技術(shù)途徑。基于納米疊層的激光薄膜設(shè)計思想在未來可以通過改變疊層材料種類和厚度比例進(jìn)一步拓展從而形成其他高綜合性能的激光薄膜元件。據(jù)悉，本論文的核心概念已提交了中國發(fā)明專利申請。
圖1. 高激光損傷閾值反射薄膜膜系設(shè)計的結(jié)構(gòu)示意圖。
（a）使用高折射率和低折射率材料交替結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)組合膜系設(shè)計示意圖。
（b）使用納米疊層和低折射率材料交替結(jié)構(gòu)的新型納米疊層膜系設(shè)計示意圖。
圖2. Al2O3、HfO2和Al2O3-HfO2納米疊層薄膜的性能表征。
（a）納米疊層薄膜中Al2O3和HfO2的含量隨膜層物理厚度的變化曲線。
（b）XRD譜圖。
（c）透射光譜曲線。A2O3單層膜，HfO2單層膜和Al2O3-HfO2納米疊層薄膜的物理厚度分別為513.8 nm，540.7 nm和444.1 nm。插圖所示為膜層折射率。
圖3. 傳統(tǒng)組合膜系設(shè)計和基于納米疊層膜系設(shè)計的紫外反射薄膜性能。
（a）TCD和（b）NLD薄膜的剖面形貌（由高分辨率透射電子顯微鏡表征）。
（c）SiO2，Al2O3和HfO2含量隨膜層深度的變化曲線。
（d）反射和（e）透射光譜曲線（45°入射角，實線：s偏振光，點線：p偏振光）。
（f）單脈沖損傷概率與激光輻照能量的關(guān)系。
（g）電場強度分布曲線。
（h）吸收隨波長的變化曲線。
圖4.激光損傷形貌圖。
（a-h）SEM-FIB表征的激光損傷表面形貌圖和剖面形貌圖。
（i-l）激光損傷形貌隨激光能量變化的示意圖。
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