上海光机所：去除节瘤缺陷穹状凸起，提升激光薄膜抗损伤性能
激光薄膜中的节瘤缺陷
近日，上海光机所薄膜光学实验室提出了一种去除节瘤缺陷穹状凸起以降低电场增强进而提高激光薄膜损伤阈值的策略，在成功去除节瘤凸起的同时不影响薄膜的光谱及面形等性能，为提升各种激光薄膜元件的抗损伤性能提供了新思路。
相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第5期的文章。
去除节瘤缺陷穹状凸起提高激光薄膜损伤阈值
采用有限元模拟证实了去除节瘤缺陷穹状凸起可以降低激光反射镜（high reflectance coating, HR）、偏振镜（polarizer coating, POL）及平板分束镜（plate laser beam splitter coating, PLBS）中节瘤缺陷引起的电场增强。基于此，以紫外反射镜薄膜为例，从实验上验证了该节瘤缺陷穹状凸起去除（nodule dome removal, NDR）工艺的有效性。对于未植入人工节瘤的反射镜和人工植入直径1000 nm节瘤种子的反射镜，NDR工艺处理后其激光损伤阈值分别提高到处理前的1.9倍和2.2倍。该工艺适用于不同沉积方法制备的薄膜，在提高薄膜损伤阈值的同时不会影响薄膜的光谱、应力及表面粗糙度等性能。
有限元模拟结果表明节瘤缺陷引起的局部电场增强在去除穹状凸起后都明显降低，激光辐照下更容易损伤的高折射率材料层中的电场降低更为明显，如图2。所提出的节瘤缺陷穹状凸起去除工艺依次包括清洗、润湿、主抛光、清洗、精抛光和干燥六个步骤，如图3。节瘤缺陷穹状凸起主要在主抛光过程中得以去除：将薄膜元件放置在无水乙醇润湿的硅片（抛光垫）上，硅片与薄膜元件之间会形成均匀的无水乙醇液膜。推动薄膜元件在硅片表面匀速转动，转动过程中液膜逐渐变薄，薄膜元件与硅片间的毛细黏附力也逐渐增大（毛细黏附力作为薄膜元件运动过程中的法向载荷），节瘤缺陷穹状凸起通过摩擦得以逐渐去除。
图2 （a）反射镜（HR）、平板分束镜（PLBS）及偏振镜（POL）的理论光谱；（b）节瘤缺陷模型；（c）NDR处理前后缺陷处的电场分布（插图为高折射率材料层中的电场分布及峰值）
紫外反射镜薄膜在采用NDR工艺处理前后的损伤概率曲线如图4所示。节瘤缺陷对紫外反射镜薄膜的损伤阈值影响较大，薄膜的抗激光损伤性能随节瘤种子尺寸的增大而降低。采用NDR工艺去除节瘤缺陷穹状凸起后，薄膜的抗激光损伤性能有明显提升。对于基底未植入人工节瘤种子（without seed）的激光薄膜，仍存在来源于基底表面的杂质颗粒、镀膜腔内的杂质颗粒以及蒸发材料的喷溅等引入的较大尺寸的节瘤缺陷，因此NDR处理后薄膜的损伤阈值同样有较明显提升，这也正是该工艺的实际应用价值所在。
总结与展望
本文提出通过去除节瘤缺陷穹状凸起以降低电场增强进而提高激光薄膜损伤阈值的策略。展示了一种适用于多种激光薄膜去除节瘤缺陷穹状凸起的新工艺，并结合理论和实验结果证明了该工艺的有效性。后续将针对较大尺寸的节瘤缺陷，进一步优化该工艺的效果。
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