CN104158076A - 一种提高Tm激光器腔镜用薄膜损伤阈值的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高Tm激光器腔镜用薄膜损伤阈值的制备方法，该方法属于薄膜光学领域，主要针对2μm波段Tm激光器腔镜用薄膜的瓶颈——薄膜的水吸收。2μm波段的激光处于水和水蒸气的强吸收区，且包含1.94μm、2.09μm和2.94μm等水吸收峰，已有的研究表明造成2μm波段激光薄膜损伤阈值低的主要因素就是薄膜内的水吸收。本发明通过采用离子源辅助沉积技术，离子源电压范围为600V~900V，同时采用金属Hf和石英环SiO2两种镀膜源材料，沉积速率分别为0.15nm/s和1nm/s，可以减少薄膜中吸收水的含量，甚至使薄膜中没有水，从而提供了一种提高Tm激光器腔镜用薄膜损伤阈值的制备方法。该方法可以极大幅度提高Tm激光器腔镜用薄膜的激光损伤阈值，而且具有针对性强、效率高、简单易行的特点。
Description
技术领域
本发明属于薄膜光学领域，具体涉及一种提高Tm激光器腔镜用薄膜损伤阈值的制备方法。
背景技术
中红外波段的 2μm 激光光源由于其波长的特殊性，可被广泛用于光电对抗、激光雷达、激光成像、环境监测、激光医疗、光学通信等领域。中心波长为2.0 μm的连续铥(Tm)激光器非常适合应用在生物组织切割和疼痛神经刺激研究领域。这个波段的激光对皮肤组织的穿透深度浅，在普通石英光纤中有良好的传输特性， 而且对人眼安全。然而Tm激光器腔镜用薄膜的低损伤阈值是限制Tm激光器向高能量发展的瓶颈，这会直接影响激光系统的稳定性和使用寿命。2μm波段的激光处于水和水蒸气的强吸收区，且包含1.94μm、2.09μm和2.94μm等水吸收峰，目前对于2μm波段的激光薄膜损伤研究较少，已有的研究表明造成该波段激光薄膜损伤阈值低的主要因素是薄膜内的水吸收。通过以上分析可知，有效控制激光薄膜的整体吸收以及薄膜内水的含量，可提高2μm波段Tm激光器腔镜用薄膜的损伤阈值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高Tm激光器腔镜用薄膜损伤阈值的制备方法，本发明针对2μm 波段Tm激光器腔镜用薄膜的瓶颈——薄膜的水吸收，通过采用离子源辅助沉积技术，离子源的电压范围为600V~900V，同时采用金属Hf和石英环SiO2两种镀膜源材料，沉积速率分别为0.15nm/s和1nm/s，可以在控制薄膜整体吸收的前提下，有效减少薄膜中水的含量，甚至使薄膜中没有水，提高Tm激光器腔镜用薄膜损伤阈值。该方法可以极大幅度提高Tm激光器腔镜用薄膜的激光损伤阈值，而且具有针对性强、效率高、简单易行的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种提高Tm激光器腔镜用薄膜激光损伤阈值的镀膜方法，具体步骤如下：
(1)将基板清洗干净，然后利用高纯氮气吹干后放入镀膜机；
(2)控制镀膜机内本底真空度为1×10-3Pa～6×10-3Pa，将基板加热至200℃，并恒温80分钟；
(3)采用电子束交替蒸发金属Hf和石英环SiO2，即用电子束轰击金属Hf或石英环SiO2，使金属Hf温度升高先变成液态再变成气态并蒸发到基板上，石英环SiO2温度升高直接变成气态并蒸发到基板上；每镀制一层HfO2或SiO2薄膜的同时都用离子源辅助沉积，控制离子源电压为600~900V；蒸发HfO2时的氧分压为4.0E-2Pa，速率为0.15nm/s，蒸发SiO2时的氧分压为1.0E-2Pa，速率为1nm/s；
(4)重复步骤（3）交替镀膜，至最后一层膜镀制结束；
(5)待真空室内温度自然冷却至室温后取出镀制好的样品。
本发明中，所述的基板可以是光学玻璃，也可以是晶体。
本发明的核心是通过在电子束蒸发的基础上，采用离子源辅助沉积，离子源的电压范围为600V~900V；同时薄膜源材料选用金属Hf和石英环SiO2，HfO2和SiO2有较高的能带隙，损伤特性好；蒸镀HfO2时的氧分压为4.0E-2Pa,速率为0.15nm/s，蒸镀SiO2时的氧分压为1.0E-2Pa,速率为1nm/s。
本发明的技术效果如下：
1. 可有效提高2μm波段Tm激光器腔镜用薄膜的激光损伤阈值，改善后的Tm激光器腔镜用薄膜的阈值大幅度提高。
2. 本发明方法经济易行。通过改变离子源电压范围，就可以得到吸收小且致密无水的激光薄膜，易于操作。
3. 本发明方法针对性强和效率高的特点。此方法直接针对限制2μm波段Tm激光器腔镜用薄膜的瓶颈—薄膜的水吸收，极大改善了薄膜的损伤阈值。
附图说明
图1为Tm激光器腔镜用薄膜光谱；a) 离子源电压600V，2020nmHR，b) 离子源电压900V，2020nm T=10%；
图2 为Tm激光器腔镜用薄膜傅里叶红外光谱；a) 离子源电压600V，2020nmHR， b) 离子源电压900V，2020nm T=10%。
具体实施方式
通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，如下：
实施例1：
镀制Tm激光器腔镜用薄膜，要求在2020nm处高反。镀制方法如下：
以熔融石英JGS1作为基板，首先将其放入清洗液中超声清洗15分钟，取出后用高纯氮气吹干，然后放入镀膜机中的工件架上；将基板加热至200℃，恒温80分钟；当镀膜机内本底真空度小于1×10-3Pa时，采用电子束交替蒸发金属Hf和石英环SiO2，每镀制一层HfO2或SiO2薄膜的同时都用离子源辅助沉积，离子源电压为600V；蒸镀HfO2时的氧分压为4.0E-2Pa，速率为0.15nm/s，蒸镀SiO2时的氧分压为1.0E-2Pa，速率为1nm/s。蒸镀完成后，样品在真空室内自然冷却至室温，然后开门取出样品。
测得光谱如图1 a)所示，在2020nm处反射率大于99.7%；对薄膜进行红外光谱测量，得到在3400cm-1处没有水吸收，如图2 a)，说明离子源电压为600V时镀制的薄膜致密且不含有水。2020nm抗激光损伤阈值为110Mw/cm2远远大于以前的损伤阈值75Mw cm2。
实施例2：
镀制Tm激光器输出耦合镜薄膜，要求在2020nm处透过率为10%。镀制方法如下：
以熔融石英JGS1作为基板，首先将其放入清洗液中超声清洗15分钟，取出后用高纯氮气吹干，然后放入镀膜机中的工件架上；基板温度为200℃，恒温80分钟；当镀膜机本底真空度小于1×10-3Pa时，采用电子束交替蒸发HfO2和SiO2，每镀制一层HfO2或SiO2薄膜的同时都用离子源辅助沉积，离子源电压为900V；蒸镀HfO2时的氧分压为4.0E-2Pa，速率为0.15nm/s，蒸镀SiO2时的氧分压为1.0E-2Pa，速率为1nm/s。蒸镀完成后，样品在真空室内自然冷却至室温，然后开门取出样品。
测得光谱如图1 b)所示，在2020nm处透射率为10%；对薄膜进行红外光谱测量，同样得到在3400cm-1处没有水吸收，如图2 b)，说明离子源电压为900V时镀制的薄膜致密且不含有水。2020nm抗激光损伤阈值为90Mw /cm2远远大于以前的损伤阈值60Mw /cm2。
Claims (2)
1.一种提高Tm激光器腔镜用薄膜损伤阈值的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)将基板清洗干净，然后利用高纯氮气吹干后放入镀膜机；
(2)控制镀膜机内本底真空度为1×10-3Pa～6×10-3Pa，将基板加热至200℃，并恒温80分钟；
(3) 采用电子束交替蒸发金属Hf和石英环SiO2，即用电子束轰击金属Hf或石英环SiO2，使金属Hf温度升高先变成液态再变成气态并蒸发到基板上，石英环SiO2温度升高直接变成气态并蒸发到基板上；每镀制一层HfO2或SiO2薄膜的同时都用离子源辅助沉积，控制离子源电压为600~900V；蒸发HfO2时的氧分压为4.0E-2Pa，速率为0.15nm/s，蒸发SiO2时的氧分压为1.0E-2Pa，速率为1nm/s；
(4)重复步骤（3）交替镀膜，至最后一层膜镀制结束；
(5)待真空室内温度自然冷却至室温后取出镀制好的样品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的基板是光学玻璃或是晶体。
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