【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高激光损伤阈值、高稳定激光薄膜，尤其是一种与基底、入射介质折射率连续渐变实现一体化的激光薄膜。
技术介绍
1、在高功率激光系统中，光学薄膜的应用至关重要。熔石英基底的传统加工方法历经成型、研磨和机械化学抛光等工艺,该方法实现表面粗糙度低于1nm的超光滑表面耗费时间长且后续容易产生光学元件的表面和亚表面缺陷,部分纵向微裂纹等可能向基底内部延伸通常可深达百微米,导致基膜界面离散进而使光学元件的表面损伤阈值大幅降低。传统光学薄膜通常由多层不同折射率的材料堆叠而成，以实现所需的抗反射、高反等光学特性。然而，这样的多层膜结构存在一些显著的缺点，其膜层内部以及与膜层与基底、入射介质的交界处由于材料物理性质的差异，有着材料性质不匹配的问题。由于材料性质的不匹配，当激光入射至膜层上时会导致膜层热畸变，进而影响膜层的光学性能。因此基底表面及亚表面缺陷和镀膜过程中膜层与膜层之间材料性质不匹配是诱导激光薄膜损伤的关键因素。
2、折射率渐变薄膜由于自身特性消除了界面,增加了薄膜的设计灵敏度,可以实现传统分层介质膜较难实现的光学性能，如有望获得较好的附着力、释放应力、减少光散射和提高薄膜的激光损伤阈值，但同时，折射率渐变薄膜其制备要求精度比较高，设计制备比较困难。目前其制备方法包括双源交替沉积(连续改变其中一种膜料或同时改变两种膜料的沉积速率)、磁控溅射法(精确控制溅射气体与反应气体的成分比率的变化来实现折射率的变化)、斜角入射沉积法等。
3、卫耀伟等人【在先技术cn 107132604 a】提出了一种利用原子层沉积
技术实现思路
1、本专利技术的目的是：克服现有光学薄膜中基底与膜层之间及膜层内部不同层之间因热膨胀系数差异导致的应力不匹配问题、损伤阈值低和热畸变等问题，提供了一种通过基膜一体化的方法避免了传统薄膜离散界面的跃变特性和不稳定特性。该专利技术确保了激光薄膜在高功率、高能量激光入射下具有高激光损伤阈值和高光学性能的稳定性。
2、本专利技术技术解决方法如下：
3、一种基于连续渐变实现基膜一体的强激光薄膜，其结构为s/l1 l2 l3/a，所述强激光薄膜从下往上的结构依次为基底s、过渡层l1、功能实现层l2、阻抗匹配层l3和入射介质a，
4、所述基底s折射率为n0，所述入射介质a折射率为n1；
5、所述功能实现层l2由折射率为nh的高折射率材料、折射率为nl的低折射率材料混合构成，起始折射率为ns,终止折射率ne；
6、所述功能实现层l2的折射率与l2层膜厚x的关系可以表示为以下形式：
7、
8、其中n(x)代表折射率分布作为膜厚x的函数，na是高折射率nh和低折射率材料nl的平均折射率，np是l2层的峰值和谷值之间的折射率差异，f(x)代表折射率调制函数，所述折射率调制函数f(x)为高斯、正弦或线性函数，表示为以下形式，
9、
10、其中，k和b是系数，n是单个正弦波周期的厚度，λ代表中心波长；
11、所述过渡层l1，其折射率分布以n0为起点，至l2层的起始折射率ns为终点呈单调线性分布，其中n0<ns，所述阻抗适配层l3，其折射率分布以l2层的终止折射率ne为起点，至n1为终点呈单调线性分布，其中n1<ne；
12、所述的强激光薄膜，折射率分布从基底s到一体化薄膜l2再到入射介质a始终连续渐变；
13、所述基底s为熔石英或k9玻璃；
14、功能实现层l2，高折射率材料为al2o3、nb2o5、ta2o5、或hfo2中一种，低折射率材料为sio2；
15、所述入射介质a为空气、熔石英或水；
16、所述过渡层l1为基底材料与l2底层材料混合构成；
17、所述阻抗匹配层l3为l2顶层材料与入射介质混合构成。
18、本专利技术还提供了基于连续渐变实现基膜一体的强激光薄膜的制备方法，包括如下步骤：
19、步骤1：基底缺陷的平坦化处理
20、利用连续co2激光对超声清洗后的基底s进行熔融抛光，或者通过离子束刻蚀技术沉积和刻蚀交替多次循环，去除基底表面及亚表面缺陷；
21、步骤2：设计功能实现层l2透射光谱并确定折射率分布
22、将要设计的功能实现层l2透射光谱作傅立叶变换，得到具有周期变化的折射率分布，或者通过特征矩阵法，将薄膜离散化，确定离散膜层数i(i≤1000)和离散膜层厚度d(10nm≤d≤50nm)，近似认为每个薄层都具有均匀的折射率，使用传统的光学薄膜计算方法来评估具有连续折射率分布的功能实现层l2的反射率和透射率等光学性能，得到功能实现层l2渐变折射率膜层的折射率分布函数n(x)和功能实现层l2的厚度；
23、步骤3：制备过渡层l1
24、通过双区共溅射的方法制备过渡层l1，控制组合靶材被溅射的区域面积由低折射率靶材向高折射率靶材均匀移动，使过渡层l1的折射率分布以n0为起点，至l2层的起始折射率ns为终点，呈线性分布；
25、步骤4：制备功能实现l2层
26、采取双区共溅射的方法制备功能实现l2层，在镀膜过程中，连续改变高、低折射率组合靶材的位置，通过精确控制组合靶材被溅射的区域面积和移动速率来调节材料的混合比例，制备混合薄膜；
27、步骤4.1：建立折射率与溅射速率的关系
28、利用高能离子轰击组合材料靶材，按照不同渐变规律实现低折射率材料区域比例从100％到0％的变化，控制低折射率材料到高折射率材料梯度渐变，确定混合薄膜材料折射率与靶材溅射区域的对应关系。将折射率分布关于膜层厚度的变化关系转化成折射率关于靶材移动速率和镀膜时间的变化关系；
29、步骤4.2：控制材料梯度渐变
30、根据设计的折射率分布采取双区共溅射的方法制备l2层，分析渐变规律对膜层组分、光学性能、微观结构等方面的影响，利用光谱特性计算不同溅射位置的折射率和消光系数等光学常数以及生长速率；
31、步骤5：制备阻抗适配层l3
32、采用倾斜沉积或者双区共溅射的方法制备阻抗适配层l3，使l3层折射率分布以l2层的终止折射率ne为起点、入射介质折射率n1为终点连续分布，l3层的微结构形状可以是圆锥、棱锥等尖锥状结构。
33、与现有技术相比，本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于连续渐变实现基膜一体的强激光薄膜，其特征在于，结构为S/L1 L2 L3/A，所述强激光薄膜从下往上的结构依次为基底S、过渡层L1、功能实现层L2、阻抗匹配层L3和入射介质A，
2.如权利要求1所述的一种基于连续渐变实现基膜一体的强激光薄膜，其特征在于，所述基底S为熔石英或K9玻璃。
3.如权利要求1所述的一种基于连续渐变实现基膜一体的强激光薄膜，其特征在于，所述功能实现层L2，高折射率材料为Al2O3、Nb2O5、Ta2O5、或HfO2中一种，低折射率材料为SiO2。
4.如权利要求1所述的一种基于连续渐变实现基膜一体的强激光薄膜，其特征在于，所述入射介质A为空气或熔石英。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的基于连续渐变实现基膜一体的强激光薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种基于连续渐变实现基膜一体的强激光薄膜，其特征在于，结构为s/l1 l2 l3/a，所述强激光薄膜从下往上的结构依次为基底s、过渡层l1、功能实现层l2、阻抗匹配层l3和入射介质a，
2.如权利要求1所述的一种基于连续渐变实现基膜一体的强激光薄膜，其特征在于，所述基底s为熔石英或k9玻璃。
3.如权利要求1所述的一种基于连续渐变实现基膜一体的强激...
【专利技术属性】
技术研发人员：王胭脂，贾琳，邵建达，冯宇康，陈宇，陆叶盛，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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