上海光机所：两步变温沉积法，揭示基底亚表面缺陷诱导激光薄膜损伤机制
透射型激光薄膜的损伤
基底亚表面缺陷诱导分光薄膜损伤的内在机制
近日，上海光机所薄膜光学实验室通过两步变温沉积法探究基底亚表面杂质缺陷对PLBS薄膜LIDT的影响机制。通过实验与有限元模拟相结合，指出亚表面杂质缺陷会在沉积过程中聚集，成为吸收性缺陷源或节瘤缺陷种子。结果表明，通过降低基底上第一层薄膜的沉积温度可以抑制亚表面杂质的迁移和聚集，但后续沉积温度的升高仍会导致亚表面杂质缺陷的继续迁移和积累。明确基底亚表面杂质缺陷对PLBS薄膜损伤性能的影响机制，为其它透射型激光薄膜阈值提升提供参考。
成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年5期的文章(Wenyun Du, Meiping Zhu, Jun Shi, Tianbao Liu, Jian Sun, Kui YI, Jianda Shao. Effect of subsurface impurity defects on laser damage resistance of beam splitter coatings[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(5): e61)。
基底的热处理实验表明，相对于100 ℃和140 ℃的热处理温度，200 ℃的热处理温度会使基底表面的颗粒数目大大增加，如图1（A）所示。且在对样品表面进行蚀刻以去除表面污染的基础上，Al、Fe和Ce元素的强度随刻蚀时间的增加迅速下降，经热处理后的基底表面杂质元素峰值强度低于未经热处理的基底表面，如图1（B）所示。
图1 （A）未经热处理和在不同温度下热处理的基底AFM表面形貌（HB1：未经热处理，HB2：100 ℃，HB3：140 ℃，HB4：200 ℃）；（B）各杂质元素的深度分布图
设计了一种45°入射，1053 nm波长处的s偏振光透射率（Ts）在50% ± 3%范围内的PLBS薄膜。除沉积温度不同，所涉及的其他工艺参数均保持一致，具体沉积温度如下表所示。经光谱测试，四种薄膜均满足上述光性指标。
表1 四种PLBS薄膜的沉积温度
对四类PLBS薄膜进行1-on-1激光损伤阈值测试，相应的损伤概率曲线如图2所示。薄膜A1、A2、A3和B1的LIDT分别为3.9 J/cm2、9.8 J/cm2、7.8 J/cm2和26.2 J/cm2。且四种薄膜样品具有相似的损伤形貌特征。
通过有限元模拟分析基底亚表面杂质缺陷对PLBS薄膜中电场和温度场分布的影响。如图3（A）所示，基底表面纳米级吸收性缺陷的密度会影响薄膜在激光辐照下的温升分布，进而影响薄膜的LIDT和激光损伤形貌。如图3（B）所示，当直径为数十纳米的节瘤种子为吸收性的节瘤种子时，会由此诱发薄膜损伤。如图3（C）所示，当缺陷颗粒尺寸进一步增大至百纳米时，会在激光辐照下诱导局部电场增加，进而产生节瘤喷溅损伤。
图3 （A）模拟分析纳米级吸收性缺陷的密度对激光诱导膜层温升的影响；（B）模拟分析纳米级缺陷的尺寸和吸收特性对激光诱导膜层温升的影响；（C）模拟分析纳米级缺陷的尺寸和吸收特性对膜层电场分布的影响
总结与展望
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