激光预处理对ＢａＦ２薄膜损伤性能的影响
邹逢，徐均琪，苏俊宏，马健波
表面技术2012年10月
［摘要］为了提高光学薄膜元件抗激光损伤的能力，除了寻找先进的镀膜方法及工艺外，还可采取后期处理，因为后期处理对激光损伤阈值（ＬＩＤＴ）也有重要影响。采用输出波长为１０６４ｎｍ的调Ｑ Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，对膜厚为λ／２（λ＝１０６４ｎｍ）的单层ＢａＦ２薄膜进行激光预处理，研究了其激光损伤特性。在光斑大小一定的条件下，改变能量密度和脉冲次数，分别研究了它们对薄膜阈值的影响，得出最佳处理参数：能量密度为９．９Ｊ／ｃｍ２，脉冲次数为３次。处理后的ＢａＦ２薄膜，激光损伤阈值从未处理的１６．５Ｊ／ｃｍ２提高到了２９．９Ｊ／ｃｍ２。
［关键词］激光预处理；薄膜；ＢａＦ２；激光损伤阈值
薄膜元件的激光损伤能力是衡量系统性能优劣的重要指标之一，因此，越来越多的研究者致力于提高薄膜激光损伤能力的研究。他们的研究主要集中在薄膜的制备方面，如从沉积的手段以及膜系设计等方面入手［１］，也包括加镀保护膜层、缓冲层及驻波场和温度场的设计等［２］。已有研究表明，薄膜制备的后期处理能够有效提高其激光损伤阈值［３－８］。有报道称，激光预处理对薄膜损伤性能的永久性增强效果最高已经达到１０余倍［１］。激光预处理是采用亚阈值能量的激光束辐照光学元件表面，可在一定程度上减小薄膜中的缺陷，从而提高其激光损伤阈值［４］。国内外关于激光预处理的研究很多［３，５－６］，这些研究都表明，激光预处理提高薄膜损伤阈值的效果非常明显。
ＢａＦ２的透明区域宽（０．２５～１５μｍ），是红外低折射光学薄膜材料。虽然国内外都对薄膜损伤有大量研究，但还没看到专门针对ＢａＦ２薄膜损伤的相关报道。而且尽管有报道涉及到激光预处理的能量密度或者光斑大小对薄膜损伤性能的影响［９］，但关于激光预处理具体工艺参数的寻优也未见相关报道。
光学薄膜的激光损伤是一个重要而复杂的问题。它不仅涉及薄膜本身的结构、损耗、折射率、热物性、杂质和缺陷等，而且与激光的波长、脉宽、焦斑大小等密切相关［１０］。基于激光损伤与激光参数的密切关系，文中研究了激光预处理对ＢａＦ２薄膜的影响。
１ 实验
所用ＢａＦ２单层膜样片是采用电子束蒸发方法，用ＺＺＳ５００－２／Ｇ型箱式镀膜机制备在Ｋ９基底上的，基底厚度为２ｍｍ，直径为２５ｍｍ。为保证所有样片薄膜参数的一致性，样片均在相同工艺条件下，一次镀制完成。将镀后的样片分为Ａ，Ｂ两组：Ａ组五片，其中一片不处理，以便与处理后的薄膜进行比较；Ｂ组四片。镀膜工艺参数如下：本底真空度为５×１０－３ Ｐａ，基底温度为１８０ ℃，电子枪束流为２５ｍＡ。膜层厚度为λ／２（λ＝１０６４ｎｍ），因为实验中测试激光损伤的激光器波长为１０６４ｎｍ，基于驻波场原理，在此厚度下，薄膜界面的驻波场强最小。厚度监控采用过正控制和高级次监控方法，监控波长为５３０ｎｍ，光控仪走４个极值。
有研究者认为，在镀膜工艺参数最优的情况下，薄膜理论上抗激光损伤阈值最高，预处理能够使薄膜的损伤阈值得到有效提高［１１］。用ＴＦＣＡＬＣ软件模拟了薄膜中的电场强度，如图１所示。
采用激光损伤测试系统对ＢａＦ２薄膜进行激光预处理，该系统的原理如图２所示，样片放置在一个由步进电机驱动的二维平台上。所用激光器为调Ｑ Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，输出激光波长为１０６４ｎｍ，脉宽１０ｎｓ。能量衰减系统由三组衰减片组成，用能量计测量入射到样品表面的激光能量。用Ｈｅ－Ｎｅ激光器对整个系统的进行光路准直，损伤情况及表面形貌在２００倍显微镜和Ｔａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ干涉仪下进行观测。测试采用１－ＯＮ－１的方式，零几率损伤，每一能量级打１０个点，测试点间距为ｌ．５ｍｍ。实验中激光预处理采用小光斑扫描，光斑直径为０．８ｍｍ。
２ 实验结果
２．１ 激光能量密度对薄膜损伤阈值的影响
测得未处理薄膜的激光损伤阈值为１６．５Ｊ／ｃｍ２。改变激光能量密度大小，对Ａ组试片进行单脉冲激光辐照预处理。激光预处理时，要选择适合的激光能量密度，太小则达不到预处理效果，太大会直接破坏薄膜。通过 实验摸 索，选 择 薄 膜 激 光 损 伤 阈 值２０％，４０％，６０％，８０％的激光能量密度，即分别为３．３，６．６，９．９，１３．２Ｊ／ｃｍ２。处理后，测试薄膜的激光损伤阈值，结果见图３。从图３中可知，当预处理的能量密度选择合适时，激光预处理能够有效提高薄膜的损伤阈值，激光能量密度为９．９Ｊ／ｃｍ２时，薄膜损伤阈值达到最大（２３．３Ｊ／ｃｍ２）。
２．２ 激光脉冲对薄膜损伤阈值的影响
能量密度保持９．９Ｊ／ｃｍ２不变，改变激光脉冲次数，对Ｂ组试片进行激光辐照预处理，研究辐照次数对ＢａＦ２薄膜损伤阈值的影响。处理后，测试薄膜的损伤阈值，结果见图４。从图４中可知，增加预处理脉冲次数，薄膜的损伤阈值也能得到提高，当处理脉冲次数为３次时，损伤阈值达到最大（２９．９Ｊ／ｃｍ２）；再增加处理次数，薄膜损伤阈值无明显变化，趋于稳定。
２．３ 薄膜表面形貌
在２００倍显微镜下观察到的薄膜表面形貌如图５所示，Ｔａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ干涉仪测得的薄膜表面粗糙度如图６所示。通过图５和图６可以发现，处理后，薄膜表面的缺陷有一定减少，粗糙度有一定改善（从处理前的１．７２ｎｍ降至１．３７ｎｍ）。这也从一方面证明，预处理能够消除表面部分缺陷。图７为在激光能量为１３０ｍＪ时，未处理和处理后薄膜的损伤形貌。可以看到，图７ａ几乎是一个完整的坑形，而７ｂ呈蜂窝状，表明经过处理的薄膜的损伤斑较小。
３ 分析
从图３可以看到，预处理能量密度小于６．６Ｊ／ｃｍ２（约为损伤阈值的４０％）时，不能有效提高薄膜的损伤阈值。当预处理的能量密度提高到１３．２Ｊ／ｃｍ２（约为损伤阈值的８０％）时，薄膜的损伤阈值反而下降。分析发现，用８０％能量密度处理后，在显微镜下观测到薄膜表面留下了激光斑，可以认为此时薄膜局部呈现了一些小的斑痕，但经损伤测试仪测试，并未发现损伤。可能这些斑痕对后面测试的激光敏感，从而诱导薄膜损坏，所以薄膜的激光损伤阈值反而下降。当能量选择合适时，增加脉冲次数，激光对薄膜的作用并非简单相加而破坏薄膜，相反会有复杂的累积效应，能够更好地改善薄膜。从图４中就可以看出，增加脉冲次数，薄膜损伤阈值明显增大。不过，并不是脉冲次数越多，就能无限提高薄膜的损伤阈值，３次、５次和７次脉冲处理后，薄膜的损伤阈值分别为２９．９，２８．５，２８．９Ｊ／ｃｍ２，无明显差异，可以认为经过３次脉冲预处理后，薄膜已得到最好的改善。由于采用小光斑，预处理效率低，而且当薄膜得到一定改善后，损伤阈值应趋于稳定，所以应采用最少的脉冲次数来达到最好的改善效果。
激光预处理应满足在损伤阈值得到提高的前提下，表面粗糙度不能变化太大的要求，以免影响薄膜用途。本实验中激光预处理能够消除薄膜表面的部分缺陷，符合微观结构变化模型［１２］。这种激光预处理方式不仅可以去除膜层表面吸附的Ｈ２Ｏ，ＣＯ２和灰尘，而且能对膜层表面起激光抛光作用，使表面变得光洁、均匀、细致，更重要的是，还可使表面微观结构发生变化，并对表面缺陷有修复作用，使薄膜的表面结构变得更加完整，因而能够提高薄膜抗激光损伤的能力。但从Ｔａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ干涉仪测得的数据可以看出，这种表面缺陷及表面形貌的改善有限。而且这种表面粗糙度的微小差异在同一薄膜表面的不同区域都可能出现。
通过对多个样片进行表面形貌检测，表明薄膜表面粗糙度确实有降低的趋势。从图７中可以看到，在能量相同的情况下，未处理薄膜（图７ａ）损伤严重，且损伤尺寸也较预处理后薄膜（图７ｂ）的大，这也说明激光预处理提高了薄膜的损伤阈值。
４ 结论
１）预处理ＢａＦ２薄膜的最佳工艺参数 如 下：能量密度９．９Ｊ／ｃｍ２，脉冲次数为３次。处理后，ＢａＦ２的阈值从之前的１６．５Ｊ／ｃｍ２提高到２９．９Ｊ／ｃｍ２。
２）通过实验发现，预处理激光能量密度越接近损伤阈值，处理的效果越明显，当为损伤阈值的６０％时，能显著提高薄膜的损伤阈值。脉冲具有累计效应，次数越多，薄膜阈值提高越明显，最后趋于一个稳定值。
３）激光预处理能够改善表面形貌，消除或减少部分表面缺陷。
参考文献略
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