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高功率大能量激光系统的发展需要高质量的光学薄膜,但是薄膜的激光损伤问题是限制薄膜应用的主要障碍。大量的薄膜激光损伤实验表明,薄膜中的杂质和缺陷是导致薄膜激光损伤的重要诱因,减少薄膜中的杂质和缺陷是提高其激光损伤阈值的一个主要途径。通过对薄膜中的杂质元素进行分析,找到薄膜中的最有害杂质元素;从源头上来抑制薄膜中缺陷的产生,制备出低缺陷密度高损伤阈值的薄膜己成为一个重要的研究课题。
在工艺条件和试验设备一定的情况下,认为薄膜中杂质主要来源于镀膜材料。用辉光放电质谱法对HfO2镀膜材料进行分析,并得出了对HfO2薄膜最有害的四种杂质元素,即金属杂质、吸收性介质杂质、Zr元素的含量和负离子杂质元素。通过对锆铪分离过程和HfO2镀膜材料的制备过程的研究,明确了杂质的来源,为消除材料中的杂质指出了方向。提出负离子杂质损毁模型,通过选用三种不同Cl含量的HfO2镀膜材料来制备薄膜,试验结果很好的支持了负离子损毁模型。
薄膜中的杂质和缺陷引入与镀膜工艺参数密切相关。对薄膜工艺过程中预熔工艺、基底清洗、背景气体压强、不同制备方法等工艺参数对杂质和缺陷的影响进行了研究。对颗粒料预熔的规范化进行了初步探讨,提出了分步加电流-多次加料的预熔方法。
对于ZrO2、HfO2等存在多晶转变的高折射率材料,相变是材料产生喷溅的主要原因,且不能通过改善镀膜工艺来消除。利用掺杂相稳定基质相的原理,从源头抑制了缺陷的产生。利用相稳定的原理,制备出了不同Y2O3加入量的Y2O3稳定ZrO2(YSZ)镀膜材料。检测结果显示当Y2O3的摩尔加入量达到7mol%时,材料中ZrO2主要以高温相-立方相存在,达到了材料稳定的要求。优选出Y2O3含量为3mol%,7mol%和13mol%的YSZ镀膜材料制备薄膜,对薄膜进行结构和损伤阈值测试,并与ZrO2薄膜进行比较,结果表明YSZ薄膜的损伤阈值比ZrO2高。选取13mol%的YSZ镀膜材料镀制高反膜,得到了同样的结果。