一种提高脉冲压缩光栅激光损伤阈值的材料改进方法技术

一种提高脉冲压缩光栅激光损伤阈值的材料改进方法，属于光栅制造技术领域。首先，分析不同掺杂比例的金银共镀薄膜的杨氏模量与反射谱线变化规律；然后，建立脉冲压缩光栅在飞秒脉冲作用下的杨氏模量与应力场之间的关联模型，以工作带宽内的平均衍射效率更高、光栅表面平均应变量更小为根据优化选择薄膜金银元素掺杂比例；最后，制备高损伤阈值脉冲压缩光栅，并进行测试验证。本发明专利技术将金属脉冲压缩光栅的纯金反射薄膜替换为优选后的金银合金反射薄膜，可以在不影响的工作效率前提下，显著提高光栅的抗损伤性能；制备工艺简单易施行，兼容性强，具有广泛的应用前景，对脉冲压缩光栅的发展以及基于啁啾脉冲放大技术的超快光学的发展具有重要意义。光学的发展具有重要意义。光学的发展具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种提高脉冲压缩光栅激光损伤阈值的材料改进方法


[0001]本专利技术属于光栅制造
，涉及一种提高金属脉冲压缩光栅损伤阈值的材料改进方法。

技术介绍

[0002]啁啾脉冲放大技术可以得到超强超短激光，为人类提供了前所未有的物理条件与全新实验手段，有效推动极端物理等众多高新技术学科发展。而用于展宽和压缩激光脉冲的色散元件，即大尺寸脉冲压缩光栅是啁啾脉冲放大技术中实现能量传输及激光脉冲宽度变化的核心。脉冲压缩光栅需要具有良好的色散匹配特性和极高的衍射效率，同时由于要与输出的高能强激光直接作用，要求其要有着尽可能高的抗激光损伤性能，以此保证整个系统的运行。除了光栅尺寸外，脉冲压缩光栅的损伤阈值和衍射效率的高低直接影响整个工作系统的输出功率大小。
[0003]目前，脉冲压缩光栅主要分为金属光栅、多层介质膜光栅以及金属
‑
多层介质膜光栅，三种光栅都可以实现高衍射效率。2020年，同济大学的程鑫彬等人在专利CN202011420469.2中公布了一种高损伤阈值的多层介质膜衍射光栅的制备方法。使用紫外纳米压印光刻技术获得与目标光栅占宽比相反的光刻胶光栅结构，再在光刻胶结构上采用“自下而上”的原子层沉积镀膜技术，制备出矩形结构的介质衍射光栅在740
‑
860nm波段范围内衍射效率高于95％，1
‑
on
‑
1测试标准损伤阈值可达0.59J/cm2。2011年，上海光机所的周常海等人在专利CN201110356432.2中公布了一种反射式光栅宏观的设计指导方法，可用于高衍射效率光栅的结构设计。2017年侯俊等人在专利CN201710739576.3中公布了一种金属光栅的制备方法，采用氧气灰化的方法去除残留压印胶，进一步提高光栅的制备工艺。现阶段的光栅金属反射膜仍以纯金膜为主，鲜有人对提高金属反射膜本身的抗激光损伤强度做研究。
[0004]薄膜断裂、畸变等损伤是脉冲压缩光栅使用过程中最主要的损伤，金、银作为同族元素，所制成的合金可以显著提高薄膜的杨氏模量，即提高薄膜的抗形变能力。利用金银合金制备光栅顶层反射层薄膜可以在保证衍射效率的前提下，在现有的光栅制备工艺基础上进一步提高光栅的抗激光损伤阈值，为金属脉冲压缩光栅的材料改进提供新的思路，并进一步提高啁啾脉冲放大技术的激光输出功率。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要解决的技术问题是克服现有方法的不足，针对金属反射式脉冲压缩光栅的表面激光损伤问题，提出一种提高脉冲压缩光栅激光损伤阈值的材料改进方法，利用金银合金制备光栅顶层反射薄膜，保证衍射效率的同时更进一步提高光栅抗损伤性能。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种提高脉冲压缩光栅激光损伤阈值的材料改进方法，首先，实验分析不同掺杂比例的金银共镀薄膜的杨氏模量与反射谱线变化规律；然后，建立脉冲压缩光栅在飞秒脉
冲作用下的杨氏模量与应力场之间的关联模型，以工作带宽内的平均衍射效率更高、光栅表面平均应变量更小为根据优化选择薄膜金银元素掺杂比例；最后，制备高损伤阈值脉冲压缩光栅，并进行测试验证。方法具体步骤如下：
[0008]第一步：不同比例金银共镀薄膜的性能分析
[0009]1.1)利用磁控溅射装置，在10
‑4Pa的高真空下，采用直流电对金、银靶材在石英表面进行溅射成膜，首次溅射金银比例为10:0的金属薄膜，然后以10％为步长增加含银量降低含金量溅射出多组金属薄膜，直至得到金银比例为0:10的金属薄膜。其中，金属厚度为180nm
‑
220nm，金、银靶材的纯度均应大于99.99％。按照薄膜不同的金、银含量，根据公式(1)计算选择合适的溅射时间与溅射速率，
[0010][0011]其中，P
Au
为金靶材溅射功率、P
Ag
为银靶材溅射功率，V
Au
为单位功率下金靶材的溅射速率、V
Ag
为单位功率下银靶材的溅射速率，t为溅射时间，d为薄膜厚度,ω
Au
为薄膜金元素含量、ω
Ag
为薄膜银元素含量。
[0012]金、银靶材的溅射速率V
Au
、V
Ag
应为25
‑
180W，以免功率过小导致粒子能量不足以附着在基底及薄膜表面，或粒子能量过高导致新粒子撞开已经附着的粒子，导致溅射不均匀，成膜效果差。
[0013]1.2)利用椭圆偏振光谱仪测量步骤1.1得到的金银薄膜在750
‑
950nm波段内的光学折射率的实部n和虚部k，根据椭圆偏振光谱仪所测得的数据及公式(2)计算薄膜在750
‑
950nm波段的反射率谱线，
[0014][0015]其中，n为薄膜的折射率实部，k为薄膜的折射率虚部，N为薄膜反射率。
[0016]1.3)利用原子力显微镜装置测量金属薄膜的杨氏模量E。具体的：将金属薄膜表面等分为4
×
4共十六个区域，测量每个区域中心点的杨氏模量，取平均值作为薄膜的杨氏模量E。
[0017]第二步：脉冲压缩光栅材料金银比例选择
[0018]2.1)利用严格耦合波理论，建立光栅在工作波段范围内的衍射效率与光栅结构参数的线性关系，具体步骤如下：
[0019]①
建立光栅二维单元结构模型，模型从上至下依次为空气层、金属薄膜层、光刻胶、基底。其中，光刻胶和光栅脊为正弦型，光栅结构参数选择定义：光栅的脊高h为205
‑
235nm，光栅周期p为530
‑
560nm，光刻胶占宽比d为0.67
‑
0.78，金属薄膜厚度w为180
‑
220nm。
[0020]②
将第一步中获得的不同金银比例的金属薄膜的薄膜反射率N及n、k值导入到电磁仿真软件中。将光栅二维单元结构模型的空气层顶端设置为周期性端口，设置激励源，激光入射角度θ为53
°
；基底底端设置为周期性端口，无激励源；模型两侧设置为Floquet周期性边界条件，k矢量选择来自于周期性端口。
[0021]③
选择波长域研究，波长范围为750
‑
950nm，步长为1nm。仿真按公式(3)计算光栅在工作波段的衍射效率与光栅结构参数的线性关系，
[0022][0023]其中，p为光栅周期，h为光栅脊高，λ为激光波长，η为光栅衍射效率，π为圆周率，θ为激光入射角度，n为光栅台阶数，B为光栅对激光振幅的调制幅度。
[0024]2.2)预测激光照射下光栅表面的应力分布。脉冲压缩光栅表面应力主要来自于热积累产生的形变，采用傅里叶模型计算光栅表面温度场变化，并利用胡克定律计算由于温度变化引起的薄膜表面应力变化。按公式(4)计算光栅表面热应力分布：
[0025][0026]其中，ρ为金属密度，C
p
为金属比热容，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高脉冲压缩光栅激光损伤阈值的材料改进方法，其特征在于，首先，分析不同掺杂比例的金银共镀薄膜的杨氏模量与反射谱线变化规律；然后，建立脉冲压缩光栅在飞秒脉冲作用下的杨氏模量与应力场之间的关联模型，以工作带宽内的平均衍射效率更高、光栅表面平均应变量更小为根据优化选择薄膜金银元素掺杂比例；最后，制备高损伤阈值脉冲压缩光栅；步骤如下：第一步：不同比例金银共镀薄膜的性能分析1.1)利用磁控溅射装置，采用直流电对金、银靶材在石英表面进行溅射成膜，首次溅射金银比例为10:0的金属薄膜，然后以10％为步长增加含银量降低含金量溅射出多组金属薄膜，直至得到金银比例为0:10的金属薄膜；其中，金属厚度为180nm
‑
220nm；按照薄膜不同的金、银含量，根据公式(1)计算选择合适的溅射时间与溅射速率，其中，P
Au
为金靶材溅射功率、P
Ag
为银靶材溅射功率，V
Au
为单位功率下金靶材的溅射速率、V
Ag
为单位功率下银靶材的溅射速率，t为溅射时间，d为薄膜厚度,ω
Au
为薄膜金元素含量、ω
Ag
为薄膜银元素含量；1.2)利用椭圆偏振光谱仪测量步骤1.1得到的金银薄膜在750
‑
950nm波段内的光学折射率的实部n和虚部k，并计算薄膜在750
‑
950nm波段的反射率谱线；1.3)利用原子力显微镜装置测量金属薄膜的杨氏模量E；第二步：脉冲压缩光栅材料金银比例选择2.1)利用严格耦合波理论，建立光栅在工作波段范围内的衍射效率与光栅结构参数的线性关系，步骤如下：
①
建立光栅二维单元结构模型，模型从上至下依次为空气层、金属薄膜层、光刻胶、基底；其中，光刻胶和光栅脊为正弦型，光栅结构参数选择定义：光栅的脊高h为205
‑
235nm，光栅周期p为530
‑
560nm，光刻胶占宽比d为0.67
‑
0.78，金属薄膜厚度w为180
‑
220nm；
②
将第一步中获得的不同金银比例的金属薄膜的薄膜反射率N及n、k值导入到电磁仿真软件中；将光栅二维单元结构模型的空气层顶端设置为周期性端口，设置激励源，激光入射角度θ为53
°
；基底底端设置为周期性端口，无激励源；模型两侧设置为Floquet周期性边界条件，k矢量选择来自于周期性端口；
③
选择波长域研究，波长范围为750
‑
950nm，步长为1nm；仿真按公式(3)计算光栅在工作波段的衍射效率与光栅结构参数的线性关系，其中，p为光栅周期，h为光栅脊高，λ为激光波长，η为光栅衍射效率，π为圆周率，θ为激光入射角度，n为光栅台阶数，B为光栅对激光振幅的调制幅度；
2.2)预测激光照射下光栅表面的应力分布；脉冲压缩光栅表面应力主要来自于热积累产生的形变，采用傅里叶模型计算光栅表面温度场变化，并利用胡克定律计算由于温度变化引起的薄膜表面应力变化；按公式(4)计算光栅表面热应力分布：其中，ρ为金属密度，C
p
为金属比热容，t为时间，x为坐标轴横向分量，k为热传导系数，Q为光栅表面热通量，T为光栅表面温度，c
e
为约束因子，α为薄膜热膨胀系数，E为杨氏模量，T为光栅表面温度，T0为环境温度，σ
T
为表面热应力；2.3)将第一步中获得的不同金银比...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹暾，李旭元，廉盟，苏莹，陈晓明，王子兰，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：