真空環境下低損耗高反射光學元件性能退化特性

許 彬，李斌成*，高椿明，王 強，郭小紅，孫啟明

(1.電子科技大學 光電科學與工程學院，成都 610054；2.中國科學院 光電技術研究所，成都 610209)

引 言

為了保證激光系統輸出光束質量以及安全運行，光學元件表面通常會鍍上各種光學薄膜。特別在高能/高功率激光系統中，超低吸收損耗強光膜更是被廣泛應用。作為高能/高功率激光系統光路中最薄弱的部分，超低吸收強光膜的光學性能很大程度上限制了激光系統性能和運行壽命。光學元件表面污染導致性能下降甚至出現激光損傷[1]的問題是近幾十年來國內外高能/高功率激光科學與工程領域的研究熱點之一。該領域具有代表性的激光系統有：美國國家點火裝置、羅切斯特大學OMEGA系統、加州理工大學激光干涉引力波探測系統、法國兆焦耳激光裝置和中國神光Ⅲ系統等。根據上述系統運行的實際情況，有關團隊從不同角度研究和報道了光學元件表面污染引起的性能下降問題[2-10]。結合上述團隊的有關報道和其他學者的研究[1,11-12]，可知在高能短脈沖激光系統中和在高功率連續/準連續激光系統中,光學元件表面污染導致的激光損傷問題的表象和機理有著本質不同：前者由于激光與光學元件缺陷及表面污染物的相互作用時間極短(納秒量級)，因此是電磁場效應起主導[13-14]，主要損傷機理為缺陷損傷；而后者由于相互作用時間相對較長、瞬時電場強度一般比脈沖激光低3個數量級以上，因此光學元件表面污染導致性能下降甚至激光損傷的問題與表面污染物光吸收帶來的熱效應有著緊密的聯系[15]。

值得注意的是,國內外對于高能短脈沖激光系統中光學元件污染導致的損傷閾值問題有大量文獻報道[2-10]，但關于高功率連續/準連續激光系統中污染元件光學性能影響的研究仍然匱乏。由于連續激光系統中光學元件表面污染引起的損傷閾值下降,本質上是由元件表面污染物光吸收引起，本文中著重研究污染對應用于連續激光系統的薄膜光學元件表面吸收損耗的影響，同時關注其反射率的變化。

鑒于污染源太廣、污染機理太復雜以至于建立普適模型難度高的背景，針對特定污染物、特定環境展開研究是普遍的做法。由于高能/高功率激光系統會部分或全部置于高真空環境中，研究真空環境下光學元件表面污染導致的性能穩定性問題在工程上具有實際意義。因此，作者借鑒相關團隊的研究方式[15-16],采用真空度可控的真空室進行真空環境污染實驗，以此來模擬光學元件在真空環境中受到污染的長期演變過程。為了更加貼近真實真空環境中光學元件的使用狀態，真空室內不人為加入污染物。

盡管關于真空污染對熔石英基底[4-5]、增透膜[17]、金屬膜[18]的研究較多，但關于應用于真空環境污染對1064nm激光高反膜光學性能影響的研究仍然匱乏。本文中采用離子輔助沉積法(ion assisted deposition,IAD)鍍制的1064nm激光反射膜樣品，進行了長時間的真空環境模擬實驗，并著重關注樣品吸收損耗和反射率的變化，分析了污染物吸收對樣品光學性能變化的影響。

1 實 驗

強光反射膜樣品采用離子輔助沉積制備，高折射率材料采用HfO2，低折射率材料為SiO2，優化鍍膜工藝參量盡可能降低其吸收損耗。吸收率是表征光學元件吸收損耗的重要參量，其定義為光學元件吸收的光功率與入射總光功率之比，高能/高功率激光系統中光學薄膜吸收率一般在10-5～10-6量級，為表述方便,本文中以10-6作為吸收率單位表征吸收損耗。制備完成后其1064nm初始吸收損耗為4.6×10-6，在氮氣柜中長時間放置后,吸收損耗穩定在6.8×10-6。

用于真空環境污染實驗的真空裝置如圖1所示。主要由圓柱形不銹鋼真空室、質譜儀、分子泵、前級泵組成。其中不銹鋼真空室用于放置樣品；分子泵由美國安捷倫公司生產，其采用不易揮發的高真空潤滑脂潤滑；質譜儀用于實時監測真空室中各物質及其分壓隨時間的變化趨勢。真空室真空度優于1×10-5Pa，樣品放置時間間隔從2h,5h,24h逐步增加到96h，每間隔一段時間將樣品取出真空室并在超凈光學實驗室環境測量其吸收損耗和反射率。樣品吸收損耗采用德國漢諾威激光中心研制的激光量熱吸收損耗測試儀測試，測試波長1064nm，吸收損耗測試靈敏度1×10-6，其原理如圖2所示。激光量熱法是目前測量光學元件吸收損耗的國際標準(ISO 11551)[19]。基本過程為：將樣品置于絕熱樣品室內，波長為1064nm的激光束照射在樣品上，通過測量樣品由于激光照射導致的溫度上升和停止照射后的溫度下降數據，擬合所測溫度變化曲線，最終計算得到樣品吸收率。整個測量和擬合計算過程由計算機控制完成。樣品反射率采用基于光腔衰蕩(cavity ringdown,CRD)技術的高反射率測量裝置測量[20]，光腔衰蕩法可精確測量高性能元件的高反射率(反射率大于99.9%)，最高重復性測量精度可達1×10-6，便于測量實驗過程中樣品1064nm反射率的細微變化。其測量的基本過程為：分別測量未插入待測樣品的初始腔和插入待測樣品的測試腔的衰蕩光信號并按單指數擬合得到初始腔和測試腔的衰蕩時間。圖2中,NTC表示負溫度系數(negative temperature coefficient)的溫度傳感元件。測試腔光路如圖3所示。結合所測得的初始腔和測試腔衰蕩時間可計算得到待測樣品的反射率。在樣品完成真空環境實驗后，用ZETA光學顯微鏡觀察樣品表面形貌，然后用無水酒精和乙醚混合溶劑對樣品進行擦拭清洗。對擦拭后的樣品再次測量其吸收損耗和反射率，并再次用光學顯微鏡觀察其表面。

Fig.1 Vacuum device

Fig.2 Diagram of absorptance measurement based on laser calorimetry

Fig.3 Diagram of reflectance measurement based on CRD

2 結果及分析

圖4a中給出了樣品在真空環境下1064nm反射率隨放置時間的變化曲線。隨著放置時間的延長，樣品反射率從99.9823%±0.0009%下降到99.9543%±0.0007%，總體顯現出指數下降的趨勢。需要特別說明的是，由于本實驗樣品反射率測量為單點測量，無法準確標記測量點位置，每次測量都盡量確保激光光斑照射在樣品中心位置處，但實際上每次測量時樣品位置存在一定偏差,所以每次反射率測量點位置無法保持完全一致，這可以解釋圖中第2個測量數據點到第3個點的反射率“回升”的現象。

Fig.4 Dependences of optical properties of the HR sample on storage time in vacuum

同樣，圖4b中給出了樣品吸收損耗隨真空室放置時間的變化趨勢。由于前期真空環境放置時間間隔較短，所以吸收損耗變化不明顯，但是總體呈上升趨勢。而且隨著真空室放置時間的增加，樣品吸收損耗上升更顯著。經過335h的真空環境放置樣品1064nm處吸收損耗從6.8×10-6上升到了59.5×10-6。同樣地，激光量熱法在實際操作過程中也是單點測量，所以實驗初期也出現了樣品吸收損耗“下降”的現象(與激光量熱測量裝置的吸收損耗測量不確定度也有一定關聯，其不確定度約為1×10-6)。

長時間真空環境實驗后,通過光學顯微鏡可以明顯地觀察到樣品表面的污染物，可見的主要為顆粒微塵，如圖5a所示。直徑為幾微米到十幾微米不等，以及可能的不可見的有機污染物薄層。用酒精和乙醚混合溶液擦拭后再用顯微鏡進行觀察，樣品表面顆粒污染物消失，如圖5b所示。隨后再次對樣品1064nm處的吸收損耗和反射率進行測量，吸收損耗回升到6.0×10-6，所測樣品溫度擬合曲線計算結果如圖6所示。反射率也回升到99.9798%±0.0005%，測試腔的光腔衰蕩信號擬合曲線如圖7所示。縱坐標表示所測信號的振幅，橫坐標為時間。圖7b為圖7a的局部放大圖。說明對樣品的擦拭清洗基本消除了微粒、有機分子污染層等形式的污染物對樣品光學性能的不利影響。

Fig.5 Surface topography of the HR samplea—after contaminating b—after wiping

Fig.6 Laser calorimetric absorptance measurement

Fig.7 CRD reflectance measurement result

僅擦拭樣品就使得其光學性能完全恢復，說明樣品光學性能退化沒有涉及到膜層結構和光學常數的變化，而主要是由吸附到表面膜層的污染物造成的。根據光學元件表面污染層厚度與其光學性能變化的關系[21],可以推測，隨著真空環境放置時間的延長，吸附在樣品表面的污染層厚度增加，這是導致樣品吸收率隨時間近似成指數上升和反射率隨時間近似成指數下降變化的原因。

下面分析污染物的起源。

真空室由不銹鋼圓柱體和真空泵組構成，泵組由前級機械泵和無油分子泵組成，分子泵使用的不易揮發潤滑脂。泵組沒有放置任何有機材料，密封圈使用的是氟橡膠。根據質譜儀的檢測結果顯示，除去水汽、氮、氫、氧等大氣中常見物質成分以外，唯一反常的就是出現了四氟化碳這種物質。另外根據質譜儀檢測的真空室內各物質含量趨勢圖可以發現：水汽、氮、氫、氧等物質的含量先是急劇下降，然后維持在很低的水平；而四氟化碳的含量一直都比較平穩，這也更加說明真空室內存在著持續釋氣的物質。由于前面提到真空室密封圈使用的是氟橡膠，所以可以推斷氟橡膠密封圈在高真空環境下的放氣是產生四氟化碳的原因。隨著樣品真空放置時間的延長，污染層的厚度增加，最終導致樣品吸收損耗的上升和反射率的下降。另外，由于樣品還經歷了頻繁的反射率和吸收率的測量，所以膜系表面受到的污染是真空環境和實驗室環境共同造成的，這也解釋了為什么樣品表面分布著大小不等的微米級微粒。多種因素造成的薄膜表面混合污染的情況更符合實際情況，但也比單一污染物的情況更復雜，因為微粒引起的散射和測量系統單點測量的局限性未被考慮。微米級顆粒由于密度較低，在反射率和吸收損耗測量過程中通過微調樣品位置避免，所以對測量結果不產生明顯影響，但更小尺度(光學顯微鏡觀察不到)的顆粒污染物密度高，測量時不可避免。綜合考慮，強光反射元件反射率和吸收損耗的變化是有機污染物和小尺度顆粒污染物共同影響的結果。

3 結 論

研究了真空環境中有機污染對強光反射膜元件光學性能(反射率和吸收損耗)的影響；分析了強光反射膜的光學性能隨真空放置時間演變的主要原因；使用酒精和乙醚混合溶液擦拭受污染的樣品可使其光學性能完全恢復，說明污染物沒有影響到反射膜膜層結構和光學常數。當然，由于樣品經過頻繁的反射率和吸收損耗的測量，不能排除樣品受到大氣環境和人為因素的影響，并且真空環境對薄膜光學性能的影響需要大量的數據，才能更加客觀地分析光學膜表面污染物沉積過程以及光學性能隨時間的演變規律，這些都有待進一步研究。