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  上海光机所知识创新简报 

  (第四五二期) 

  20181012 

  上海光机所研制的基频反射膜在2018年激光损伤阈值水平国际评比中获得最佳结果 

  2018923日至26日,在第50SPIE高功率激光光学材料年会(SPIE Laser-Induced Damage in Optical Materials 201850th Anniversary Conference)组织的基频反射膜激光损伤阈值水平国际竞赛中,由薄膜光学实验室研制的多层介质反射膜样品取得最佳结果,功能性激光损伤阈值比第二名高出20%。这是上海光机所继2012年在该国际竞赛中取得基频偏振膜激光损伤阈值竞赛第一名的佳绩后首度参赛,并再次取得最好结果。 

  一年一度的SPIE激光损伤国际会议在美国Boulder举办,代表着光学材料激光损伤研究领域的国际最高水平。2008年,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室发起了薄膜激光损伤阈值国际竞赛,庆祝SPIE高功率激光光学材料年会四十周年,同时了解当前最先进的激光薄膜损伤阈值水平。此后,该国际激光损伤竞赛每年举办一次。2018年适逢五十周年,被视为光学材料激光损伤领域的一大盛事。本次薄膜竞赛的主题是基频反射膜,对膜层的光谱性能要求为:正入射时反射率大于99.5%,使用波长为1064nm。共有来自中国、美国、德国、瑞士、日本、立陶宛等6个国家的18家单位参赛,包括美国Melles GriotEdmund OpticsTelAztec LLC,德国汉诺威激光中心、Laser Components,肖特公司和同济大学等多家国内外知名研究机构或公司。阈值指标评定采用双盲办法,由非技术人员将所有参赛样品统一包装、并以字母进行编号(如:A1A2B1),再将样品送至Spica Technologies, Inc.进行激光损伤阈值测试。测试激光参数如下:波长1064nm、脉宽3ns、入射角度 

  12018年基频反射膜激光损伤阈值国际评比结果,标五角星的为薄膜光学实验室的参赛样品 

  1所示的阈值测试结果表明上海光机所研制的基频反射膜在激光能量密度低于82J/cm2时,膜层没有任何损伤。功能性激光损伤阈值高达94J/cm2

  反射膜在激光系统中精密操纵激光束的传输,其性能直接影响整个激光装置的输出能量和光束质量,是国际激光薄膜领域同行重点研究的薄膜类型。本次参赛样品的薄膜沉积技术包括电子束蒸发、离子束辅助沉积、离子束溅射、磁控溅射等技术。参赛样品采用的高折射率镀膜材料主要包括HfO2Al2O3Ta2O5等。如图2所示,采用相同沉积技术和相同镀膜材料制备的反射膜激光损伤阈值存在较大差异,体现了激光损伤阈值与沉积工艺的相关性。

  22018年基频反射膜激光损伤阈值国际评比结果,按薄膜沉积技术进行分类排序 

  上海光机所薄膜光学实验室是我国第一支专业从事激光薄膜研究的团队,至今已有五十余年的研究历史,在激光薄膜设计、制备,及激光与薄膜态材料相互作用方面具有雄厚的积累。在国家科技重大专项、国家高技术863计划等多个项目的持续支持下,为神光系列高功率激光装置、超强超短激光装置提供了大量主要的高损伤阈值激光薄膜,满足了国家战略需求。 

  近年来,上海光机所针对提升反射膜激光损伤阈值面临的“灾难性”激光损伤探测与抑制难题开展了深入细致的研究工作。开发了激光“预植”缺陷技术,揭示了基板表面结构性缺陷和膜层界面缺陷共同诱导的激光损伤机制。针对基板难以实现零结构性缺陷加工的困难,提出了基板缺陷缝合修复技术,缝合后激光损伤阈值接近无结构性缺陷膜层的水平;针对膜层界面问题,创新发展了渐变界面沉积技术,攻克了结构性缺陷和界面缺陷共同诱导的灾难性损伤难题。相关研究工作大幅提高了各类介质薄膜元件的激光损伤阈值,在薄膜元件激光损伤阈值提升的长期竞争过程中巩固并强化了我国的国际领先地位。 


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