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撰稿人 |Haes Lin

論文題目 | 用于高功率激光應用的襯底雕刻抗反射納米結構表面

Substrate-engraved antireflective nanostructured surfaces for high-power laser applications

作者 | Nathan J. Ray, Jae-Hyuck Yoo, Hoang T. Nguyen, Michael A. Johnson, Selim Elhadj, Salmaan H. Baxamusa, and Eyal Feigenbaum

完成單位| 勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

論文概述

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室Eyal Feigenbaum教授團隊提出了一種利用超表面結構層增強高功率激光系統光學元件抗反射性能的新方法，并于2020年5月12日以“Substrate-engraved antireflective nanostructured surfaces for high-power laser applications（用于高功率激光應用的襯底雕刻抗反射納米結構表面）”為題，發表在國際光學權威期刊Optica。

文章介紹了利用微納米工藝制備隨機抗反射超表面結構，對比參考基底材料，超表面結構在351nm和1053nm高功率激光表面損傷閾值測試結果與參考基底非常接近（1053nm：參考基底材料81J/cm2，超表面結構74J/cm2；351nm：參考基底材料47J/cm2，超表面結構30J/cm2）。該工作為拓展高功率激光器在X射線源、可再生能源和光-物質相互作用探測等應用提供了新的方法。

研究背景

高功率激光系統在可再生能源、定向能源、光-物質相互作以及特殊輻射源等方面的影響日益增加，例如顯微鏡和醫用X射線源、無損檢測和醫用中-質子源，以及光刻電子發射源等。目前幾乎所有高功率激光系統的關鍵部件，特別是易受激光損傷的光學元件表面都有抗反射涂層，其在提高高功率激光系統整體效率的同時降低雜散光，在安全、最大化能量輸出強度方面起著至關重要的作用。然而，由多層電介質和溶膠-凝膠組成的傳統抗反射涂層具有固有的局限性，限制了其應用范圍。多層電介質涂層雖然環境穩定，但由于制造設計中的多種材料界面，導致其激光損傷閾值較低。

為了避免傳統抗反射涂層的缺點，近些年一種借助于表面制造技術的微納米結構作為抗反射涂層的方法取得了一系列新進展。這些表面被定義為具有光學特性的功能結構表面，其光學特性由單元結構而非組成材料決定。單元結構可用于修改不同的材料特性，例如折射率、熱機械性能或電性能等。由亞波長元件構成的光學納米結構表面是目前微納光學器件研究的重點，通過探索超表面結構空間調制特性，可以對平面光學、聚焦透鏡等光學元件性能的改進產生顛覆性影響。

技術突破

根據Bruggeman’s聯合公式，研究人員設計了用于多層平面的熔融石英材料結構（見圖1（a）和（b）），通過填充因子近似表示該層的有效折射率。填充因子指數將隨基質和空隙體積的混合比而變化，變化率取決于特性高度。基于該納米幾何結構的傳輸矩陣計算結果如圖1（c）和1（d）所示。通過控制納米結構特征高度和側壁傾斜度，可以設計具有指定特征波段的抗反射結構。

圖1 超表面結構設計及仿真結果：（a）和（b）分別表示模型側視圖和俯視圖，傾斜函數（SF）和周期（Λ），填充因子由結構特征相對于基底表面積的面積分數給出，其中A表示投射到基底的特征表面積；結構參數是在不同深度指數分級情況下結構反射率最小的關鍵，（c）垂直側壁SF=0，（b）SF=1。

納米結構損傷通常會導致器件微米級區域出現特征退化，局部反射率相對于初始值會有增加。然而，由于這些無特征區域的尺寸有限，全孔徑傳輸受到的影響相對較小。必須注意的是，連續的激光照射到先前損傷區域不會導致損傷增長，通過早期的損傷閾值表征結果表明，由于納米結構損傷程度不會增長，因此在這種損傷發生后，光學器件具有更高的局部損傷閾值。在產生良性（非生長）納米結構損傷之后，光學元件可以承受不斷增加的能量輸入，直到達到下一個激光損傷機制。

圖2 樣品激光損失實驗結果：（a）納米結構表面損傷形貌SEM表征；（b）和（c）351nm激光損傷試驗結果；（d）和（e）1053nm激光損傷試驗結果。

圖3 納米結構靜態魯棒性實驗結果：使用半徑為200μm的標準尖端加載（a）351nm結構和（b）1053nm結構，負載范圍為50 mN至50 N。

觀點評述

超表面結構的引入對傳統光學元件性能的提成帶來了新的方向，目前超表面結構在光學成像、傳輸、通信、探測等領域均實現了良好的應用價值，未來的發展前景客觀。比如本文中高功率激光器抗損傷減反射超表面結構的設計及應用，這些納米結構表面顯示出巨大的潛力，可以有效地擴展高功率激光的應用領域，同時這類超表面結構材料具有優異的機械和光學性能，并在調整光學傳輸方面具有高度的靈活性，大大減輕了高功率激光系統中光學處理的負擔，為應用于極端條件下的光學系統開發和研制提供了新的方式方法。