CN101478109A - 一种用于激光晶体的光学薄膜结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光晶体的光学薄膜结构及其制备方法，其特征在于：在传统的用于激光晶体的介质/金属的复合膜系之间增加了一层硬质薄膜缓冲层，其作用是增加介质－金属复合膜系的结合力，并提高复合膜系的抗激光损伤阈值，适应了大功率激光器的发展需要。所述的缓冲层薄膜是通过电子束热蒸发制备的，生长过程是首先将TiN颗粒及清洗后的衬底置于真空生长室中；将生长室抽真空；利用电子束照射TiN颗粒，同时在真空室中通入一定量的氮气或是氮离子，TiN缓冲层薄膜就会沉积到衬底上。本发明TiN缓冲层可以显著提高复合膜系的结合力和抗激光损伤阈值，对于飞速发展的高功率激光器有着重大的理论和现实意义。

Description

一种用于激光晶体的光学薄膜结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于激光晶体的光学薄膜结构及其制备方法，更确切地说涉及一种用于激光晶体的介质/金属复合膜系的缓冲层技术，是一种利用氮化钛薄膜缓冲层来提高介质/金属膜系结合力与抗激光损伤阈值的方法，制备方法利用的是电子束真空沉积技术。属于半导体材料、光电材料领域。

背景技术

激光器作为一种重要的光电器件，是构成各类光子信息或能量系统的基础，同时又是构成主动式光电武器的核心器件，现已广泛应用于光通信、光信息处理、激光加工、医学以及军事学等诸多领域。自1960年第一台激光器问世以来，几十年以来，尤其是进入二十一世纪以后，激光技术和应用的迅猛发展，它已经发展成为一门典型的交叉学科，融入到各种学科研究和应用技术领域中。在新兴的光通讯、光网络技术和传统的光机电技术中，激光以它独特的单色性、相关性和方向性加上由此而来的超高亮度、超短脉冲，给科学和技术带来了深刻的影响，伴随光电产业的崛起，激光科学与技术将在不断成熟和发展中逐渐成为光电产业的灵魂技术。而在激光器的发展历程中，固体激光器一直占据了发展的主导地位。特别是在20世纪80年代，出现的半导体激光器以及在此基础上出现的半导体泵浦固体激光器(Diode-PumpedSolid-State Lasers(DPSSL))因为其体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域。

现代激光器发展的两个最重要的方向：(1)微型化，主要应用于激光探测(如反恐利器探测爆炸物和化学战剂)、加速网络通信等，(2)高功率化，主要应用于激光加工、现代空间激光武器和激光聚变等军事领域。二极管泵浦固体激光器的迅速发展向激光薄膜领域提出了更高的挑战，激光薄膜质量的好坏将直接影响激光器的各项性能。对于高平均功率的激光器来讲，高功率的激光振荡所产生的热量聚集成为限制其进一步发展的重要技术瓶颈。有效的冷却源以及冷却源与激光器内部热量聚集区域的连接技术已成为突破这一瓶颈的途径。而水冷却源由于其无可比拟的优越性被广泛采用，而连接冷却源与激光热聚集区域的部分被广泛使用传热性能好的金属。因此金属薄膜与介质薄膜(主要为氧化物系高反膜或是减反膜)之间的匹配问题成为了必须要考虑的问题。而通常两者之间的晶体结构和电荷特性等相差甚远，界面之间存在严重的应力失配，易于产生薄膜的起层及脱落现象。因此如何解决介质/金属膜系的应力失配问题，增强它们之间结合力，同时保证金属膜系热导性和一定硬度用以抵抗高功率激光的振荡成为了一个亟待解决的技术性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于激光晶体的光学薄膜结构及其制备方法，更确切地说在介质-金属复合膜系之间增加一层硬质的薄膜缓冲层以解决介质/金属复合膜系之间的应力失配问题，并提高金属膜系的抗激光损伤阈值。通常解决介质/金属(Pt)复合膜系之间应力失配引进的是金属钛膜，但由于金属钛薄膜的硬度以及抗激光损伤阈值太低，不适用于高功率激光器中。本发明使用的是具有与介质以及金属复合膜系都有较好应力匹配的缓冲层薄膜，不仅薄膜的硬度非常高，可以抵挡高功率激光的振荡。为了与热导率高的金属复合膜匹配常用的缓冲层为TiN、AlN或SiC，为了叙述方便，下面以TiN缓冲层为例说明之，必须指出的，TiN缓冲层的工艺过程也适用于SiC或AlN等缓冲层，只是具体参数略有变动而已。

本发明一种提高高功率激光器用介质/金属复合膜系的结合力与抗激光损伤阈值的缓冲层的方法，电子束熔融的靶材是氮化钛颗粒，氮化钛薄膜的沉积是在电子束真空沉积系统中进行的。其过程是：将已经镀好了介质薄膜的基片放入超高真空薄膜生长室中，在一定的压力与温度气氛下，利用电子束系统将氮化钛颗粒熔融并使其蒸发沉积到衬底架上的介质薄膜上，然后再在氮化钛薄膜上接着生长高热导率的金属薄膜，例如Pt或是Au，完成介质/金属复合膜系沉积过程。

本发明的方法：

1 膜料准备。将需要镀制的膜料(具有一定纯度，例如99.99％等)按一定大小通过真空烧结等方法制备成圆柱等颗粒状形状，便于吸收电子束熔融蒸发生长成薄膜。

2 衬底准备。衬底类型可以分为普通载玻片、光学常用玻璃k9玻璃(一种光学透过性较好的玻璃，其组成为：SiO₂＝69.13％ B₂O₃＝10.75％ BaO＝3.07％Na₂O＝10.40％ K₂O＝6.29％ As₂O₃＝0.36％)、石英玻璃、单晶硅衬底、Nd:YAG衬底或其他需要镀制多层介质/金属复合薄膜的衬底。对于玻璃衬底，首先以碱溶液对其表面进行超声处理一刻钟(重复两次)，然后利用无水乙醇超声一刻钟(重复两次)，最后用去离子水超声一刻钟；对于单晶硅衬底，首先以1：1氢氟酸去除表面的氧化层，然后再以丙酮、乙醇和去离子水依次漂洗。其他衬底的预处理方法可参考相关专利或文献。处理好的衬底置于真空干燥器中备用。

3 薄膜生长。具体分为如下几个步骤：

(1)将需要镀制膜料及清洗后的衬底置于真空室中，多层膜的不同膜料分别置于不同坩埚之中；

(2)利用机械泵及涡轮分子泵对真空室抽背地真空至5×10^-4-10^-5Pa以下；

(3)利用程序控制温度加热衬底至实验所需温度，一般为室温至800℃；

(4)开启等离子体源，利用N₂等离子体源对衬底进行镀膜前的清洗，去除表面污染物，同时增强衬底与薄膜的结合力，然后利用挡板将衬底挡住，防止污染；

(5)开启电子束控制系统，预热电子束一定时间，例如5分钟，然后聚焦电子束，并确定电子束的位置到膜料，预熔膜料，然后转动坩埚位置对不同膜料分别进行预熔；

(6)开启膜厚控制仪(石英晶振控制或是光学控制等)，设定需要的膜厚，加大电子束功率至沉积速度到所需要值，通入一定量所需要气体(例如O₂等)待沉积过程稳定开启衬底挡板开始镀膜，第一层膜镀完之后转动坩埚镀第二层依次至最后一层；

(7)沉积完毕，关掉电子束控制电源、外部气体，降温至室温，破真空取出所生长薄膜，最后分子泵和机械泵。

4 为进一步提高薄膜与沉底粘附力或者是提高结晶性等性能，可以在高温下对薄膜进行退火热处理，视衬底材料及所需提高性能退火温度范围400-1000℃，退火时间为0.5-24小时。

5 抗激光损伤阈值测试。激光测试系统主要由激光产生系统、激光光路、CCD照相系统等部分组成。测试中以一定能量密度的激光照射薄膜，以2Hz频率，20ns脉冲宽度，100次脉冲为测试标准，对同一能量密度在样品不同部位测试10次，确定损伤几率，然后以能量密度为横坐标，损伤几率为纵坐标作图，外推测试曲线至损伤几率为零点与横坐标的交点确定为薄膜的零损伤几率点，即为薄膜的抗激光损伤阈值。

由此可见本发明的特征：

①为了解决介质/金属复合膜系的应力适配问题，在介质与金属薄膜之间引入了与它们匹配性良好的缓冲层，从而解决了介质/金属复合膜系的起层及脱落现象；所述的缓冲层薄膜的厚度为50～200nm；

②也即为了与热导率高的Pt/Ti…金属复合膜系匹配采用的是氮化钛缓冲层，如果是为了匹配其他金属膜系可以采用其他氮化物或是碳化物最为缓冲层，例如AlN或是SiC等；所述的介质层为SiO₂、TiO₂、Si₃N₄等材料；

③具体地说为了提高介质/金属复合膜系的抗激光损伤阈值，利用氮化钛薄膜替代了常用的金属钛薄膜缓冲层，提高了复合膜系的硬度以及抗激光损伤阈值；

由于氮化钛薄膜的热导率略低与金属钛薄膜，因此为了使高功率激光器所产生的热量快速被冷却源所冷却，氮化钛薄膜的厚度不能太厚，在氮化钛薄膜上面接着沉积一层热导率较好的金属钛膜系，既可以提高复合膜系的硬度与抗激光损伤阈值，同时还可以保证金属膜系的热导率使高功率激光器所产生热量及时地被冷却源所带走；

④本发明中是以Nd:YAG为激光晶体例子，同样这种结构也适用于其他元素掺杂的YAG晶体，例如Cr:YAG，Yb:YAG等，以及其他基质的激光晶体中结构中，例如：Cr，Ti:Al₂O₃，Nd:YVO₄，Nd:GGG，Yb:BOYS，Yb:KYW激光晶体等；

⑤是介质/氮化钛/金属复合膜系，在其他膜系中同样可以采用缓冲层技术，例如为了在硅衬底上外延生长氧化镁薄膜可以先在单晶硅衬底上生长很薄的一层氮化钛缓冲层；

综上所述，本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

现有技术主要是在介质/金属(Pt)复合膜系之间引入金属钛薄膜缓冲层，它可以在一定程度上解决介质/金属复合膜系之间的应力失配问题，但由于金属钛薄膜的硬度以及抗激光损伤阈值比较低，用于高功率激光器中就容易产生薄膜的损伤，从而引起整个激光系统性能的损坏。而本技术采用的是在介质/金属复合膜系之间引入氮化钛薄膜缓冲层，氮化钛薄膜与介质薄膜以及金属钛薄膜都有很好的匹配性，同时由于氮化钛薄膜的硬度以及抗激光损伤阈值都要比金属钛薄膜高很多，所以就解决了复合膜系在高功率激光器中的薄膜损伤问题，从而提高了高功率激光系统的性能。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图详细说明如下，其中：

附图1分别是Ti和TiN缓冲层薄膜的激光损伤照片，其中(a)是没有TiN缓冲层的Ti金属薄膜的激光损伤照片，(b)是TiN缓冲层的激光损伤照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例的介绍，进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1  TiN缓冲层薄膜的详细制备如下：

1 原料准备。本实验中所使用制备TiN薄膜的原料是高纯度(4N)电子束热蒸发专用颗粒。

2 衬底准备。本实施例中选用普通光学K9玻璃为衬底。首先将衬底放入NaOH溶液中超声一刻钟，重复两次，然后在无水乙醇中超声一刻钟，重复两次，最后在去离子水中超声一刻钟。然后将处理好的衬底置于真空干燥箱中备用。

3 薄膜生长。分为如下几个步骤：

(1)将准备好的电子束热蒸发专用4N级别TiN颗粒和SiO₂介质膜料及清洗好的K9衬底置于真空室中，调整靶材至衬底距离为50cm；

(2)启动机械泵及分子泵将真空室抽背地真空至2×10^-4Pa以下；

(3)采用程序控温，将衬底加热至200℃，升温速率为15℃/min；

(4)开启等离子体源，利用N₂等离子体源对衬底进行镀膜前的清洗，去除表面污染物，同时增强衬底与薄膜的结合力，然后利用挡板将衬底挡住，防止污染；

(5)开启电子束热蒸发控制系统，预热电子枪5min，然后聚焦电子束，并确定电子束的位置到膜料，然后转动坩埚位置对SiO₂和TiN分别进行预熔；

(6)开启膜厚控制仪(石英晶振控制或是光学控制等)，设定膜厚分别为200nm和100nm，加大电子束束流至40mA，待沉积过程稳定开启衬底挡板开始镀SiO₂膜，然后通入N₂，转动坩埚位置至TiN膜料，开始蒸镀TiN缓冲层；

(7)沉积完毕，关掉电子束控制电源、外部气体，降温至室温，破真空取出所生长薄膜，最后分子泵和机械泵。

具体实施对比例：

金属Ti薄膜的详细制备如下：

1 原料准备。本实验中所使用制备Ti薄膜的原料是高纯度(4N)电子束热蒸发专用颗粒。

2 衬底准备。本实施例中选用普通光学K9玻璃为衬底。首先将衬底放入NaOH溶液中超声一刻钟，重复两次，然后在无水乙醇中超声一刻钟，重复两次，最后在去离子水中超声一刻钟。然后将处理好的衬底置于真空干燥箱中备用。

3 薄膜生长。分为如下几个步骤：

(1)将准备好的电子束热蒸发专用4N级别Ti颗粒和SiO₂介质膜料及清洗好的K9衬底置于真空室中，调整靶材至衬底距离为50cm；

(2)启动机械泵及分子泵将真空室抽背地真空至2×10^-4Pa以下；

(3)采用程序控温，将衬底加热至200℃，升温速率为15℃/min；

(4)开启等离子体源，利用N₂等离子体源对衬底进行镀膜前的清洗，去除表面污染物，同时增强衬底与薄膜的结合力，然后利用挡板将衬底挡住，防止污染；

(5)开启电子束热蒸发控制系统，预热电子枪5min，然后聚焦电子束，并确定电子束的位置到膜料，然后转动坩埚位置对SiO₂和Ti膜料分别进行预熔；

(6)开启膜厚控制仪(石英晶振控制或是光学控制等)，设定膜厚分别是200nm和100nm，加大电子束束流至40mA，待沉积过程稳定开启衬底挡板开始镀SiO₂膜，然后转动坩埚位置至Ti膜料，开始蒸镀Ti金属膜；

(7)沉积完毕，关掉电子束控制电源、外部气体，降温至室温，破真空取出所生长薄膜，最后分子泵和机械泵。

具体实施例与对比例抗激光损伤阈值测试比较：

具体测试过程如下：测试频率确定为2HZ，激光脉冲宽度确定为10ns，每次脉冲测试次数确定为100次，也就是50s钟时间；通过激光聚焦系统将激光点聚焦到固定面积大小，例如1cm²，通过示波器测定激光能量，然后确定激光能量密度；对同一能量密度在样品不同部位测试10次，确定损伤几率，然后以能量密度为横坐标，损伤几率为纵坐标作图，外推测试曲线至损伤几率为零点与横坐标的交点确定为薄膜的零损伤几率点，即为薄膜的抗激光损伤阈值。

测试结果显示：TiN缓冲层薄膜的抗激光损伤阈值至少比金属TI薄膜的抗激光损伤阈值要高20％。

两种具体实施例下实验结果对比：

从实验结果可以看出来，采用了TiN缓冲层以后，膜系的结合力得到了增强，同时薄膜的抗激光损伤阈值大大提高，这对于现代高功率激光器的发展而言具有相当重要的理论与现实意义。

Claims (10)

1、一种用于激光晶体的光学薄膜结构，其特征在于在介质/金属的复合膜之间增加一层硬质缓冲层薄膜，所述的缓冲层薄膜是与热导率高的金属复合膜系相匹配的材料。

2、按权利要求1所述的用于激光晶体的光学薄膜结构，其特征在于所述的缓冲层薄膜为TiN、AlN或SiC，所述的金属膜为Pt或Au。

3、按权利要求1或2所述的用于激光晶体的光学薄膜结构，其特征在于所述的缓冲层薄膜为TiN。

4、按权利要求3所述的用于激光晶体的光学薄膜结构，其特征在于所述的缓冲层薄膜的厚度为50-200nm。

5、按权利要求3所述的用于激光晶体的光学薄膜结构，其特征在于在缓冲成薄膜的上面再沉积一层金属钛膜，以利于高功率激光器产生的热量及时被冷却源带走。

6、制备如权利要求1-4中任一项所述的用于激光晶体的光学薄膜结构的方法，其特征在于制备工艺是：

首先，将已经镀好介质膜的基片放入超高真空薄膜生长室中，在一定的压力与温度气氛下，利用电子束系统将缓冲层颗粒熔融并使其蒸发沉积到衬底架上的介质薄膜上，然后再在氮化钛薄膜上接着生长高热导率的金属薄膜，完成介质/金属膜合系的制作过程。

7、按权利要求6所述的用于激光晶体的光学薄膜结构的制作方法，其特征在于：

(a)膜料准备：将需要镀制的TiN缓冲层膜料通过真空烧结方法制备成圆柱等颗粒状形状，便于吸收电子束熔融蒸发生长成薄膜。

(b)衬底准备：衬底分为普通载玻片、光学常用玻璃k9玻璃、石英玻璃、单晶硅衬底或Nd:YAG衬底；对于玻璃衬底，首先以碱溶液对其表面重复二次进行超声处理，然后利用无水乙醇重复二次超声，最后用去离子水超声；对于单晶硅衬底，首先以1：1氢氟酸去除表面的氧化层，然后再以丙酮、乙醇和去离子水依次漂洗；处理好的衬底置于真空干燥器中备用；

(c)薄膜生长：具体分为如下几个步骤：

①将步骤a所述的镀制膜料和步骤b清洗后的衬底置于真空室中，多层膜的不同膜料分别置于不同坩埚之中；

②利用机械泵和涡轮分子泵对真空室抽背地真空至5×10^-4-10^-5Pa以下；

③利用程序控制温度加热衬底至实验所需温度；

④开启等离子体源，利用N₂等离子体源对衬底进行镀膜前的清洗，去除表面污染物，同时增强衬底与薄膜的结合力，然后利用挡板将衬底挡住，防止污染；

⑤开启电子束控制系统，预热电子束，然后聚焦电子束，并确定电子束的位置到膜料，预熔膜料，然后转动坩埚位置对不同膜料分别进行预熔；

⑥开启石英晶振控制或是光学控制的膜厚控制仪，设定需要的膜厚，加大电子束功率至沉积速度到所需要值，通入所需要的气体，待沉积过程稳定开启衬底挡板开始镀膜，第一层介质膜镀完之后转动坩埚镀第二层缓冲层依次至最后一层；

⑦沉积完毕，关掉电子束控制电源、外部气体，降温至室温，破真空取出所生长薄膜，最后分子泵和机械泵。

8、按权利要求7所述的用于激光晶体的光学薄膜结构的制作方法，其特征在于所述的TiN缓冲层的纯度为4N。

9、按权利要求7所述的用于激光晶体的光学薄膜结构的制作方法，其特征在于将所制得的薄膜进行退火处理；退火处理的温度为400-100℃。

10、按权利要求9所述的用于激光晶体的光学薄膜结构的制作方法，其特征在于退火处理时间为0.5-24小时。

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