离子束辅助技术在高功率激光薄膜中的应用
第４１卷，第ｌＯ期２００４年１０月
激光与光电子学进展
Ｖｄ．４】．ＮｎｌＯ０ｃｔ２００４
离子束辅助技术在高功率激光薄膜中的应用
张大伟张东平范树海王英剑邵建达范正修
（中国科学院上海光学精密机械研究所，上海２０１８００）
提要
从离子束清洗、离子束辅助沉积以及离子束后处理三个方面，介绍了离子束辅助技术在高功率激光薄膜中的应用背景、应用
激光技术
离子束辅助技术
高功率激光薄膜
优势以及存在的问题。关键词
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ｌ引言
激光薄膜是激光系统中不可
是因为它们有着共同的装置，如图性的光学薄膜不但与其自身的沉
１所示。离子束辅助技术从不同角度解决了高功率激光薄膜制备中的一些问题。但也引入了一些新的问题。为此国内外学者从理论和实践上进行了研究，希望能深入认识引入离子束技术的优点和弊端，并最终扬长避短，将其成功应用在高功率激光薄膜的制备中。
积工艺有关．同时也与基片的抛光
水平以及基片镀膜前的最终处理
缺少的基本元件。其质量和性能是影响和保证整个系统性能的重要
因素。在激光技术迅猛发展的几十
技术密切相关。从实际使用情况来
看，国内提供的激光薄膜的损伤阈值仍然与国际先进水平有相当大的距离．对基底表面的清洁技术研究的不够深入应是造成差距的一
年里，激光薄膜起到了保障和推动作用。而激光技术的迅猛发展又给激光薄膜的研究和发展注入了新的生命力。激光惯性约束聚变装置是规模最大的一类高功率激光系统装置，如美国的诺瓦（Ｎｏｖａ）装置、国家点火装置（ＮＩＦ），中国的神光系列装置等，其中都包含有大量
激光器件和光学元件Ⅲ。这些高功
个主要因素。国内未见这方面的深入研究报告，但国外对这方面的工艺研究一直也没有停止过，而且已经作为提高薄膜抗激光损伤强度措施中的一个有机组成部分。
为了获得清洁的基片，在使用
纯水、各类配方的有机溶剂等清洗
率激光系统对激光薄膜的性能提出了更高的要求ｆ２ｊ。这些性能包括降低吸收、降低散射、提高抗激光损伤阈值和提高环境稳定性等。
离子束辅助技术是一种有可能在高功率激光薄膜制备中使用的技术。离子束辅助技术包括离子束清洗ｆ３Ｊ、离子束辅助沉积技术（４Ｊ以及离子束后处理技术，之所以将这几类技术同归为离子束辅助技术，
图１离子束辅助技术的装置示意图
液的同时，采用了如手工擦洗、超声波清洗、溶剂蒸浴、高纯氮气等对表面的处理方法。但用这些方法处理过的基片在放入真空室以及真空室获取高真空的过程中都存
在着重新（二次）污染的可能。离子
随着大能量、大功率激光系统
２离子束清洗技术
的发展，对光学薄膜元器件的性能要求逐步提高，特别是对损伤阈值要求的提高。事实上，具有良好特
清洗是在基片放人真空室并抽取真空后，薄膜沉积之前，用一定能量和束流密度的离子撞击基片、使基片清洁。离子清洗成为解决二次
收稿日期：２００４—０５—２０：收到修改稿日期：２００４—０６一１８
田
万方数据
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污染问题可行的一种办法【６】。离子束清洗的清洁能力已得到一定认可。例如。Ｏｃｈｓ【３】发现升温处理并不能清洁硬盘基片上的污物，而离子束（定向离子）清洗却有较好效果。图２是用超声波清洗并手工擦洗之后的基片放入真空室抽取高真空后又取出后的表面。可以看到基片表面吸附了一些杂质颗粒：图３是将吸附杂质后的基片放人真空室用离子束清洗后的表面形貌，可以看到离子清洗后可得到干净的基片。用ＬｅｉｃａＤＭ磁【Ｅ型偏光显微镜观测。
二次污染点
．夕一＇
图２基片被二次污染的表面
图３离子束清洗后基片的表面
尽管离子束清洗有较好的清
洁效果，但离子种类、清洗时问、离子能量和束流密度等参数对基片表面特性的影响，以及离子清洗参数的选择都未见有深入的研究报道。我们进行了这方面的工作，提
出以下观点：
１）光学薄膜特别是高功率激光薄膜的基底清洗应该用氧离子
清洗；
２）基底在抛光时抛光粉部分残留在基底里，而离子清洗能有效
万
方数据激光与光电子学进展
确磷褊镕嚣§ｅ§≮壤＿｛＝；＝ｃ‘ｔ
去除残留的抛光粉：３）一定能量和束流密度的离子清洗基底时，基底表面的粗糙度
随清洗时间的不同而发生不同程
度的改变，因此清洗时间应该严格
控制：
４）离子清洗基片技术能明显提高单层膜和增透膜的损伤阈值。
３离子束辅助沉积技术
大部分热蒸发沉积薄膜由于
低的沉积原子动能而存在疏散的堆积结构、高的薄膜内应力、水汽吸收等问题。如果在沉积过程中加
以几十到近千电子伏动能的离子
束辅助，则不仅会改善这种状况，而且还使薄膜性能的可控性增强，
例如通过改变离子的参数，可以使薄膜致密度用、消光系数、晶体结
构【８】等性能发生变化。
离子束辅助
沉积的原理简单说就是当膜料原子或分子沉积时，用携带能量（几
十到几百甚至上千电子伏）的离子
碰撞蒸发原子或分子，经过动量交换。使沉积原子或分子获得较大迁移动量的一种沉积方式。离子束辅
助沉积的薄膜致密度大，沉积的薄膜对环境的稳定性好，漂移波长
小，因此该技术广泛用于对漂移波长要求严格的光通讯系统薄膜中。由于在室温下离子束辅助沉积的
薄膜仍具有优良的性能，因此该技术也使用于基底不能烘烤的情况下，例如在树脂基片上镀增透膜【９】。
离子束辅助沉积技术应用于
高功率激光薄膜始于２０世纪９０
年代，后逐步发展到ＩＣＦ。金属铪反
应蒸发镀制的氧化铪是离子束辅助沉积技术应用在高功率激光薄膜中的良好切入点．这是因为在经
典的直接蒸发氧化铪材料的过程
中，材料从单斜相变为四方相时，发生严重的体积改变，这种体积改
变导致的应力释放伴随着熔化的
Ｖ０１．４１．Ｎｏ．１００ｃｔ．２００４
颗粒从坩埚里喷出。从而产生的缺陷导致了薄膜的抗损伤阈值下降。
Ａｎｄｒｅ
Ｂ用光热偏转技术测量了
不同技术下沉积的氧化铪薄膜中的缺陷密度，发现金属铪反应蒸发
镀制的氧化铪薄膜中这种结瘤缺陷大大减少【１０Ｊ。另外，带有高能量的离子氧更容易与金属铪结合，这使得到优良化学计量比的氧化铪薄膜成为可能。因此借助离子束辅助沉积，金属铪反应蒸发镀制氧化铪技术有望成为高阈值氧化铪薄膜的首选镀制方法。例如，Ａｎｄｒｅ
Ｂ
的工作中用金属铪反应蒸发沉积
的氧化铪薄膜对１０６４ｎｍ激光的抗损伤阈值是２０Ｊ／ｃｍｚ．而用经典方式沉积的氧化铪薄膜，其抗损伤阈
值仅是５Ｊ／ｃｍ２。我们也用１０６４ｍ、
１２ｎｓ的脉冲激光测量了两种方式下沉积的氧化铪薄膜。也得到了氧离子反应辅助沉积的氧化铪薄膜的抗损伤阈值（２０．０７Ｊ／ｃｍ≈高于经典方式（８．６Ｊ／ｃｍ２）的结果【１１】。
虽然离子束辅助沉积技术存在很多优点，能解决热蒸发沉积技术中的一些问题．但从国内外的研究来看，该技术应用在高功率激光薄膜中还是有很多问题亟待解决【１２。剁。这些问题是：（１）离子源的使用引入杂质污染。离子束辅助沉积时，有些离子源在工作中发射杂质污染沉积的薄膜，导致薄膜的抗激光损伤阈值下降，例如我们发现，考夫曼离子源在工作时其发
射电子的钨丝蒸发而污染薄膜【１４】，
付雄鹰等人使用ＡＰｓ等离子源在进行高反膜抗激光损伤阈值的研
究中也发现．离子反应辅助的样品
其损伤阈值较低。并也认为其原因是离子源的使用引入了污染【１５】。Ｇｉｌｏ用无栅霍尔离子源进行了两
种原始物质（Ⅲ和Ｈｆ０。）的珊ＦＯ。
制备研究，也认为离子束辅助沉积会给薄膜带来杂质污染，因此他认
田
第４ｌ卷．第１０期
２００４年ｌＯ月
激光与光电子学进展
Ｖ０１．４ｌＩＮｏ．１００ｃｔ．２００４
为该类型的Ｅｎｄ“ａｕ离子源
ＩＢＡＤ不适合应用于高功率激光薄膜制备【１２１；（２）高能离子轰击生成缺陷以及能量的选择问题。刖Ｍｓｉ用Ｍａｒｌ【ＩｇｄｄＩｅｓｓ离子源进行了类似的研究，研究了离子束
辅助沉积对砌Ｏ。薄膜的折射率、
消光系数和堆积密度以及晶体结构、损伤阈值的影响。他的工作表明尽管离子束辅助沉积可提高薄膜的堆积密度，但其能量太高而引人的缺陷降低了薄膜的损伤阈值．他提出了高能离子轰击产生缺陷的观点【１３】。Ｗｍｅｙ的研究也表明，辅助离子的能量应谨慎选择，
不同材料对应不同的辅助离子能
图４离子束后处理前后薄膜的弱吸收情况
堆积密度、小晶粒的薄膜具有较大损伤阈值的结论旧。我们在用无栅无灯丝的霍尔源ＥＨｌ０００进行金属铪反应辅助沉积氧化铪薄膜的工作中，也发现损伤阈值最高的样品其堆积密度并不是最高【１ｌ】。
的研究【ｌ司．但离子束后处理技术对薄膜损伤阈值的研究尚未见报道。我们在对单层ｚｒＯ。薄膜的离子束后处理研究中．发现后处理的薄膜其弱吸收明显降低且趋于均匀，抗激光损伤阈值也有明显提高，薄膜的损伤阈值从处理前的１５．９Ｊ比ｍ２提高
到处理后的２３．１Ｊ／ｃｍ２。图４给出了
量最高值．否则将会给薄膜带来损伤。例如沉积Ｔｉ０２薄膜时，辅助离
子能量不应超过３００ｅＶ，而ＳｉＯ。可以用６００ｅＶ能量的离子辅助【１６】：
（３）离子束辅助沉积的薄膜其高堆积密度的特点或许并不利于其提高抗激光损伤阈值。不少学者提出低堆积密度的薄膜其抗损伤阈值
４离子束后处理技术
离子束后处理技术是在薄膜沉积之后．用一定参数的离子作用到薄膜上的一种薄膜后处理方法。作为提高薄膜抗激光损伤阈值的一种途径．激光预处理技术得到了深入
用热透镜技术测量的离子束后处理前后样品弱吸收情况。近期，我们正对该技术影响薄膜抗激光损伤阈值的机理进行研究。
能力较好。例如础啊ｓｉ用Ｋａ】】劬ａｎ
离子源进行了离子辅助氧化铪薄膜的激光损伤阈值影响，得出了低
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离子束辅助技术在高功率激光薄膜中的应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
张大伟， 张东平， 范树海， 王英剑， 邵建达， 范正修中国科学院上海光学精密机械研究所,上海,201800激光与光电子学进展
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