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超強激光科學卓越創新簡報

(第五十期)

2019年10月12日

上海光機所研制的基頻反射膜在2019年激光損傷閾值水平國際評比中取得最佳結果

  2019922日至25日,在SPIE激光損傷——第51屆高功率激光光學材料年會(SPIE Laser-Induced Damage in Optical Materials 2019)組織的基頻反射膜激光損傷閾值國際競賽中,薄膜光學實驗室研制的多層介質反射膜樣品取得最佳結果,1-on-1激光損傷閾值比第二名高出65%。這是上海光機所繼2018年在該國際競賽中取得基頻反射膜功能性激光損傷閾值競賽第一名的佳績后,再次取得最佳結果。 

  一年一度的SPIE激光損傷國際會議在美國Boulder舉辦,代表著光學材料激光損傷研究領域的國際最高水平。2008年,美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室發起了薄膜激光損傷閾值國際競賽,慶祝SPIE高功率激光光學材料年會四十周年,同時了解當前最先進的激光薄膜損傷閾值水平。此后,該國際激光損傷競賽每年舉辦一次。本年度的競賽是2018年競賽的延續,主題仍是基頻反射膜,對膜層的光譜性能要求為:正入射時反射率大于99.5%,使用波長為1064nm。參賽樣品共53個,包括2018年提交的33個樣品和2019年提交的20個樣品。來自中國、美國、德國、瑞士、日本、立陶宛、捷克、馬恩島等8個國家的24家單位參賽,包括美國Laboratory for Laser Energetics (LLE) Colorado State UniversityMelles GriotEdmund OpticsTelAztec LLC,德國漢諾威激光中心、Laser ComponentsLaserOptik GmbH,日本Nikon Corp.Tokai Optical,瑞士Schott,以及同濟大學等多家國內外知名研究機構或公司。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室人員從上述53個樣品中選出21個樣品進行比對測試,樣品的選擇基于以下兩個原則:一、涵蓋不同的沉積方法和鍍膜材料;二、每個參賽單位只選擇一個樣品。 

  閾值指標評定采用雙盲辦法,由非技術人員將所有參賽樣品統一包裝、并以字母進行編號(如:A1A2B1),再將樣品送至Spica Technologies, Inc.,根據Raster scanning1-on-1兩種激光損傷閾值測試方法進行測試。測試激光參數如下:波長1064nm、脈寬3ns、入射角度 

1 基頻反射膜激光損傷閾值國際評比結果(照Rater Scan測試方法下無損傷進行排序),標五角星(編號O1)的為薄膜光學實驗室的參賽樣品

  1所示的閾值測試結果表明上海光機所研制的基頻反射膜在激光能量密度低于82J/cm2時,膜層沒有任何損傷;1-on-1激光損傷閾值高達100J/cm2 

  反射膜在激光系統中精密操縱激光束的傳輸,其性能直接影響整個激光裝置的輸出能量和光束質量,是國際激光薄膜領域同行重點研究的薄膜類型。本次參賽樣品的薄膜沉積技術包括電子束蒸發、離子束輔助沉積、離子束濺射、磁控濺射等技術。參賽樣品采用的高折射率鍍膜材料主要包括HfO2、Al2O3、Ta2O5材料,以及HfO2/Al2O3、Ta2O5/Al2O3和Ta2O5/MgF2等的組合。如圖2所示,采用相同沉積技術和相同鍍膜材料制備的反射膜激光損傷閾值存在較大差異,體現了激光損傷閾值與沉積工藝的相關性。 

2 采用Raster Scan方式的比對測試結果(2018-2019年共41個樣品),按薄膜沉積技術進行分類排序

  上海光機所薄膜光學實驗室是我國第一支專業從事激光薄膜研究的團隊,至今已有五十余年的研究歷史,在激光薄膜設計、制備,及激光與薄膜態材料相互作用方面具有雄厚的積累。為神光系列高功率激光裝置、超強超短激光裝置提供了大量主要的高損傷閾值激光薄膜,滿足了國家戰略需求。 

  近年來,上海光機所針對提升反射膜激光損傷閾值面臨的“災難性”損傷和缺陷密度抑制難題開展了深入細致的研究工作。2018年和2019年激光損傷閾值國際競賽采用的Raster Scan1-on-1測試方法也正是分別對“災難性”損傷和缺陷密度抑制技術的評價。Raster Scan測試方式采用小光斑掃描,對1cm2區域的所有點進行測試,大部分樣品在該測試方法下會由于“災難性損傷”問題而失效。1-on-1測試方法根據ISO標準,選取不同的能量臺階,每個能量臺階下測試10個點,缺陷密度越低,1-on-1測試方法下出現激光損傷的幾率就越低,損傷閾值也就越高。上海光機所薄膜光學實驗室研制的薄膜樣品在上述兩種測試方法下均取得最佳結果,體現了在“災難性”損傷和缺陷密度抑制兩個方面的技術進步。相關研究工作大幅提高了各類介質薄膜元件的激光損傷閾值,在薄膜元件激光損傷閾值提升的長期競爭過程中鞏固并強化了我國的國際領先地位。(薄膜光學實驗室供稿)

  (經費來源:國家科技重大專項、國家高技術863計劃、國家自然科學基金、國家萬人計劃青年拔尖人才、中國科學院青年創新促進會、上海市青年拔尖人才等) 

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