CN111378934B - 提升电子束蒸镀薄膜元件的光谱和应力时效稳定性的镀膜方法 - Google Patents

Abstract

采用常规电子束蒸镀和等离子体辅助沉积相结合的技术，提出一种提升电子束蒸镀薄膜元件光谱和应力时效稳定性的镀膜技术。利用常规电子束蒸镀技术制备功能性薄膜，以获得较高的抗激光损伤阈值；利用等离子体辅助沉积技术制备致密的外层包裹层，将整个常规电子束蒸镀薄膜包裹其中，以阻止水分子进出膜系。本发明能够在不增加膜系设计难度且维持电子束薄膜较高损伤阈值的同时，降低整个膜系的应力水平并提升电子束蒸镀薄膜元件的光谱和应力时效稳定性。

Description

提升电子束蒸镀薄膜元件的光谱和应力时效稳定性的镀膜 方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜领域，是一种提升电子束蒸镀薄膜元件的光谱和应力时效稳定性的镀膜方法。

背景技术

自激光发明以来，与激光能量的逐年增加相比，光学元件的损伤阈值变化不大。在高能激光系统中，为了减少激光损伤，光学元件的尺寸也不断增大。电子束蒸镀薄膜元件因具有光学性能优异，损伤阈值高，大口径均匀性好等特性，广泛应用于各大型高功率激光系统中。然而，随着使用环境的变化，或者在同一环境中随着时效时间的增加，膜的各项性能会偏离预设的指标，如大气——真空效应导致光谱漂移，改变膜系的电场分布进而降低了薄膜元件的抗激光损伤性能；又如时效效应导致薄膜的力学性能不稳定，引发表面形变，影响光束的传输和聚焦；压应力过大时可能导致薄膜褶皱、分层/脱膜，而张应力过大，严重时会导致薄膜龟裂。电子束蒸镀薄膜的多孔结构易与环境中的水蒸气等极性分子发生相互作用，是导致薄膜各项性能变化的主要原因，对激光器系统的长期可靠、稳定运行带来巨大的挑战。因此，降低薄膜元件的多孔性有助于提升其稳定性。常用的致密膜沉积技术有离子辅助沉积技术、离子束溅射沉积技术、磁控溅射沉积技术等，制备的薄膜元件虽然稳定性有所提升，但应力较大，易发生力学失效，且抗激光损伤性能一般劣于电子束蒸镀薄膜元件。此外，广泛应用于制备高阻隔性能薄膜的原子层沉积技术，虽能制备超高稳定性薄膜，但其沉积速率低、不易扩展用于制备大尺寸的薄膜元件。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种提升电子束蒸镀薄膜元件的光谱和应力时效稳定性的镀膜方法，本发明能够在不增加膜系设计难度且维持电子束薄膜较高损伤阈值的同时，降低整个膜系的应力水平并提升电子束蒸镀薄膜元件的光谱和应力时效稳定性。

本发明的技术解决方案

一种提升电子束蒸镀薄膜元件的光谱和应力时效稳定性的镀膜技术，其特征在于该方法的实质是在采用电子束蒸镀技术制备功能性多层膜以获得较高的抗激光损伤阈值的基础上,采用离子辅助沉积技术制备膜系的外层包裹层，以获取致密的湿气阻隔层，将整个常规电子束蒸镀薄膜的膜面和侧面均包裹在内，阻止水汽的进出。

该方法包括以下步骤:

1)夹具盘设计:

设计具有不同压边大小的、直径相等的两种夹具盘A和B。其中夹具盘A的压边大于夹具盘B。A、B夹具盘压边差值大于等于2mm；

2)膜系设计：

根据所需的光学性能要求设计膜系：S|MN₁N₂|A，其中S表示基底，M表示常规电子束多层膜，N₁表示次外层致密膜，用于阻止换夹具盘时水分子大量进入膜系，N₂表示最外面的致密包裹层，阻止水汽进出膜系的上表面和侧面，N1、N2层的厚度d_N按下式计算：

(对于高反膜，Z为正整数)

其中，λ是多层膜系的设计波长；n是介质的折射率，此处为离子束辅助沉积技术制备的致密保护层的折射率；θ是光线的入射角；

3)基底清洗：对基底进行清洗并晾干；

4)薄膜制备：

(1)首先采用压边较大的夹具盘A:

①根据所设计的膜系，采用电子束蒸镀技术沉积多层膜M：

将基底加热至120℃～250℃；当真空度优于9.0×10^-4Pa时，打开电子枪，依照所设计的膜系顺序采用电子束蒸镀技术制备高、低折射率膜层；

②采用离子束辅助沉积技术镀制次外层致密的保护层N₁,以防在后续换夹具盘时膜系中吸附大量的水分子：

多层膜M沉积完毕后，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为100V～200V，开始镀制N₁层，镀制完该膜层后关闭等离子体源与电子枪；

(2)更换压边较小的夹具盘B镀制最外层致密的包裹层N₂：

待基底冷却后迅速开腔，将步骤②中的薄膜元件更换至压边较小的夹具盘B，该过程应在温湿度控制环境中限时(＜1h)进行，尽量减少薄膜元件暴露于大气中的时间。将基底加热至120℃～250℃；当真空度优于9.0×10^-4Pa时，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为100V～200V，镀制最外层包裹层N₂。此时，由于夹具盘的更换，前述膜系外围与夹具盘B的压边之间将空出与夹具盘A、B压边大小差值相等的无膜区域，N₂层沿着该区域和膜面生长，将整个膜系包覆在内；

⑶镀膜结束。

所述的基底是光学玻璃或者晶体。

本发明的技术效果：

1、本发明综合采用电子束蒸镀技术和离子辅助沉积技术：利用电子束蒸镀技术沉积功能性薄膜，以获取较高的抗激光损伤性能；利用等离子体辅助沉积技术制备致密的外层包裹层，将整个常规电子束蒸镀薄膜包裹其中，以阻止水分子进出膜系。

2、本发明能够在不增加膜系设计难度且维持电子束薄膜较高损伤阈值的同时，降低整个膜系的应力水平并提升电子束蒸镀薄膜元件的光谱和应力时效稳定性。

3、本方法简单易行，具有针对性强和效率高的特点。适合制备用于大型高功率激光系统的高稳定性薄膜元件。

附图说明

图1是制备的多层高反膜，其中(a)采用常规电子束蒸镀技术制备，(b)仅顶层采用离子辅助技术制备，(c)采用本发明方法

图2是常规电子束蒸镀、仅顶层采用离子辅助技术和本发明方法制备的多层高反膜的性能随时效变化，其中(a)光谱时效变化(b)应力时效变化

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1分别是采用常规电子束蒸镀技术制备、仅顶层采用离子辅助制备和采用本发明方法制备的多层高反膜的膜系示意图，实施例以高折射率材料为HfO₂,低折射率材料为SiO₂，膜系设计分别为：S|MB|A、S|MN|A和S|MN₁N₂|A的多层膜为例，说明本发明用于提升电子束蒸镀薄膜元件的光谱和应力时效稳定性的镀膜技术，其中M＝4L(HL)¹²H，B＝N＝N₁＝N₂＝4L，该技术包括下列步骤:

1)夹具盘设计:

设计直径相等的两组夹具盘A和B，二者压边差值大于等于2mm。本实施例中夹具盘A的压边为3mm，夹具盘B的压边为1mm。

2)膜系设计：

根据光谱性能要求：0°入射，R≥99.5％@1064nm，设计的膜系为：S|4L(HL)¹²H4L|A，其中L代表低折射率材料SiO₂，H代表高折射率材料HfO₂,4L层为保护层；

3)基底清洗：对基底进行清洗并晾干；

4)薄膜制备：

(1)常规电子束蒸镀技术：

①根据所设计的膜系，采用电子束蒸镀技术沉积功能层M＝4L(HL)¹²H：

将基底加热至200℃；当真空度优于9.0×10^-4Pa时，打开电子枪，依照所设计的膜系顺序采用电子束蒸镀技术制备高、低折射率膜层M。如该层膜为HfO₂层，氧分压为2×10^{- 2}Pa，沉积速率为0.2nm/s；如果该层为SiO₂层，氧分压5.0×10^-3Pa，沉积速率为0.4nm/s。

②采用电子束蒸镀技术沉积功能层M以外的保护层:

多层膜M＝4L(HL)¹²H沉积完毕后，继续采用电子束蒸镀技术沉积保护层B＝4L。此案例中该层为SiO₂层，氧分压为1.5×10^-2Pa，沉积速率为0.4nm/s。镀制完该膜层后关闭电子枪。

③镀膜结束。

(2)仅顶层采用离子辅助制备以获取致密的膜层：

①根据所设计的膜系，采用电子束蒸镀技术沉积功能层M＝4L(HL)¹²H：

将基底加热至200℃；当真空度优于9.0×10^-4Pa时，打开电子枪，依照所设计的膜系顺序采用电子束蒸镀技术制备高、低折射率膜层M。如该层膜为HfO₂层，氧分压为2×10^{- 2}Pa，沉积速率为0.2nm/s；如果该层为SiO₂层，氧分压5.0×10^-3Pa，沉积速率为0.4nm/s。

②采用离子束辅助沉积工艺沉积顶层N:

多层膜M＝4L(HL)¹²H沉积完毕后，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为170V，APS固定充氧5sccm，开始沉积顶面保护层N＝4L。此案例中该层为SiO₂层，沉积速率为0.4nm/s。镀制完该膜层后关闭等离子体源与电子枪。

③镀膜结束。

(3)本发明方法：包裹层和次外层采用离子束辅助沉积技术制备，以获取致密的膜层；其余层采用电子束沉积技术以获取高的激光损伤阈值:

①首先采用压边较大的夹具盘A:

i根据所设计的膜系，采用电子束蒸镀技术沉积功能层M＝4L(HL)¹²H：

将基底加热至200℃；当真空度优于9.0×10^-4Pa时，打开电子枪，依照所设计的膜系顺序采用电子束蒸镀技术制备高、低折射率膜层M。如该层膜为HfO₂层，氧分压为2×10^{- 2}Pa，沉积速率为0.2nm/s；如果该层为SiO₂层，氧分压5.0×10^-3Pa，沉积速率为0.4nm/s。

ii采用离子束辅助沉积工艺沉积最外层保护层:

多层膜M＝4L(HL)¹²H沉积完毕后，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为170V，APS固定充氧5sccm，开始沉积致密保护层N₁＝4L。此案例中该层为SiO₂层，沉积速率为0.4nm/s。镀制完该膜层后关闭等离子体源与电子枪。

②更换压边较小的夹具盘B镀制最外层致密的包裹层N₂：

待基底冷却后迅速开腔，将步骤ii中的薄膜元件更换至压边较小的夹具盘B，从开腔到再次关腔镀膜时间控制在1小时内，以减少薄膜元件暴露于大气中的时间。将基底加热至200℃；当真空度优于9.0×10^-4Pa时，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为170V，APS固定充氧5sccm，开始沉积致密包裹层N₂＝4L。此案例中该层为SiO₂层，沉积速率为0.4nm/s。此时，由于夹具盘的更换，前述膜系外围与夹具盘B的压边之间将空出2mm的无膜区域，N₂层沿着该区域和膜面生长，将整个膜系包覆在内，镀制完该膜层后关闭等离子体源与电子枪。

③镀膜结束。

5)采用光谱仪和干涉仪分别测量常规电子束蒸镀技术制备、仅顶层采用离子辅助技术制备和采用本发明方法制备的高反膜的光谱和应力随着时效时间的变化：

将所有制备的高反膜存储于温湿度恒定的环境中，

①每隔一定的时间测量光谱的透过率并提取反射带中心波长随时效时间的变化。测试角度：0°，测试范围300nm-1400nm。

②每隔一定的时间测量面型并计算应力随着时效时间的变化。

多次实验表明：本发明方法采用离子束辅助沉积技术制备次外层和包裹层，以获取致密的膜层，阻止水分子进出多层激光薄膜元件上表面和侧面；其余功能层采用电子束沉积技术以获取高的激光损伤阈值。在不会增加膜系设计和镀膜工艺难度的前提下，可有效阻隔电子束蒸镀技术制备的多孔薄膜的吸湿、解吸，从而提升多层薄膜元件的光谱和应力时效稳定性，并降低整个膜系的应力水平。

Claims (2)

1.一种提升电子束蒸镀薄膜元件的光谱和应力时效稳定性的镀膜方法，其特征在于，该方法采用电子束蒸镀技术制备功能性多层膜以获得较高的抗激光损伤阈值的基础上,采用离子辅助沉积技术制备膜系的外层包裹层，以获取致密的湿气阻隔层，将整个常规电子束蒸镀薄膜的膜面和侧面均包裹在内，阻止水汽的进出，具体包括以下步骤:

1)夹具盘设计:

设计具有不同压边大小的、直径相等的两种夹具盘A和B，其中夹具盘A的压边大于夹具盘B，夹具盘A与夹具盘B的压边差值大于等于2mm；

2)膜系设计：

根据所需的光学性能要求设计膜系：S|MN₁N₂|A，其中S表示基底，M表示常规电子束多层膜，由高折射率材料HfO₂和低折射率材料SiO₂交替堆叠而成，N₁表示次外层致密膜，为离子束辅助沉积的SiO₂，用于阻止换夹具盘时水分子大量进入膜系，N₂表示最外面的致密包裹层，为离子束辅助沉积的SiO₂，用于阻止水汽进出膜系的上表面和侧面；N₁、N₂层的厚度d_N按下式计算：

对于高反膜，Z为正整数

其中，λ是多层膜系的设计波长；n是介质的折射率，此处为离子束辅助沉积技术制备的致密保护层的折射率；θ是光线的入射角；

3)基底清洗：对基底进行清洗并晾干；

4)薄膜制备：

(1)首先采用压边大的夹具盘A:

①根据所设计的膜系，采用电子束蒸镀技术沉积多层膜M：将基底加热至120℃～250℃；当真空度优于9.0×10^-4Pa时，打开电子枪，依照所设计的膜系顺序采用电子束蒸镀技术制备高、低折射率膜层；

②采用离子束辅助沉积技术镀制次外层致密的保护层N₁，以防在后续换夹具盘时膜系中吸附大量的水分子：

多层膜M沉积完毕后，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为100V～200V，开始镀制N₁层，镀制完该膜层后关闭等离子体源与电子枪；

(2)更换压边较小的夹具盘B镀制最外层致密的包裹层N₂：待基底冷却后迅速开腔，将步骤②中的薄膜元件更换至压边较小的夹具盘B，

该过程应在温湿度控制的环境中限时＜1h进行，尽量减少薄膜元件暴露于大气中的时间，将基底加热至120℃～250℃；当真空度优于9.0×10^-4Pa时，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为100V～200V，镀制最外层包裹层N₂；

⑶镀膜结束。

2.根据权利要求1所述的镀膜方法，其特征在于所述的基底是光学玻璃或者晶体。

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