KrF准分子激光光学薄膜的损伤特性研究

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准分子激光具有波长范围广、光子能量高、脉冲能量大等优点,在工业、医疗和科研等领域有着重要的应用。其中输出波长为248nm的KrF准分子激光器被广泛应用于脉冲激光沉积制备薄膜、高端平板显示制造行业中的低温多晶硅退火工艺、太阳能电池硅表面刻蚀、集成电路超浅结退火、汽车汽缸表面处理等多种成长型工业领域。  紫外光学元件镀膜后的薄膜特性是制约KrF准分子激光器及其应用系统长期稳定高效运转的关键。本文针对KrF准分子激光器实际应用系统中对光学薄膜的光学性能和高损伤阈值的要求,制备适用于248nm准分子激光的高反膜和增透膜,并对薄膜的抗损伤特性进行了研究。主要工作内容包括以下几个方面:  1.损伤测试平台建立。基于自行研制的PLD-50型准分子激光器,搭建了符合国际标准ISO21254的KrF准分子激光损伤测试平台,主要包括衰减系统、能量监测系统、聚焦系统、损伤监测系统几部分,并对激光输出的基本参数:波长、脉宽、光斑能量分布、能量稳定性、靶面光斑大小等进行测量和控制。  2.激光薄膜的设计及制备。通过不同的材料组合,设计了氧化物组合、氟化物组合以及氧化物和氟化物的混合膜系结构的高反膜和增透膜。采用热蒸发法和电子束蒸发法制备了这一系列的光学薄膜,检测结果表明,所制备的高反膜反射率大于98%,增透膜透过率大于99%。  3.激光薄膜抗损伤阈值研究。在自行搭建的损伤测试装置上对高反膜和增透膜进行了损伤测试,采用1-on-1辐照方式,通过线性拟合给出了各膜系的零几率损伤阈值。对损伤破斑的表面形貌和深度信息进行了表征,结合材料物性和薄膜中电场分布特点,对各膜系的损伤机制进行了分析和讨论。  4.通过增加保护层和退火改善高反膜的抗损伤性能。分别研究了SiO2、Al2O3和MgF2三种保护层的高反膜的损伤特性,给出了各膜系的零几率损伤阈值。对损伤破斑的表面形貌和深度信息进行了表征,分析了不同保护层提高损伤阈值的原因。通过退火处理进一步提高了高反膜的抗损伤性能,对SiO2保护层的高反膜进行退火处理后损伤阈提高到3.42J/cm2。通过光谱、XRD、吸光度测试分析了退火改善薄膜抗损伤特性的机理。最后,对多脉冲累积效应进行了初步分析,通过对多脉冲累积损伤阈值外推可以推测薄膜元件的使用寿命。
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