2-29 高阈值偏振膜镀制技术

马 平 邱服民 于 杰 胡建平

　　薄膜偏振片在强激光系统中起着重要作用，对激光系统的设计和性能有着重大影响。为了获得尽可能高的效率和光学质量，对偏振片提出了以下要求：尽可能高的p光透过率；尽可能低的s光透过率；较高的消光比。更重要的是，要有很高的抗激光损伤强度，否则就无法应用于强激光系统。

　　一般认为，必须通过增加工作带宽来保证偏振片的使用，即要制备高阈值、高消光比的宽带偏振膜。但是偏振膜制备的复杂性对工艺的稳定性影响较大，为了初步稳定工艺，在较短的时间内完成4块中等口径样品的制备，课题组主要针对对称设计的偏振膜系开展工艺稳定工作，并对该工艺下的偏振膜阈值进行了测量，测量结果表明：偏振片的光学指标和抗激光损伤指标已经同时满足工程要求。由于通带定位的精确将直接决定其偏振特性的通带位置以及偏振性的指标高低，因此，精确定位通带位置是整个实验的关键。对薄膜的监控有分离法和直控法两种。

图1是0.8mm反射膜光谱数据，普通金膜在200ps，损伤阈值约0.4J/cm²，用200ps的啁啾脉冲，重复频率10Hz，对样品进行测试，其损伤阈值约2J/cm²，效果良好。

研究表明，对通带定位起决定作用的是整个膜系的控制方法，而不是对各个膜层的厚度控制。对于直控法，其较高的定位精度在于，每一层厚度的误差对通带的影响，自动地达到互相完全补偿。而分离法，虽然对每一层监控精度较高，但是，误差的叠加使整体效果不佳。因此，采用直控法对整个膜系进行控制，配合晶振对个别层的控制，来实现整个膜系的镀制。镀制的对称膜系为G/(HL)⁸H2.3 LH(HL)⁸/A。工艺参数为：本底真空p₀=5.0´10^-4Pa，基片温度220℃，SiO₂沉积速率0.4~0.8nm/s，HfO₂沉积速率为0.2~0.6nm/s，沉积SiO₂时充氧量为8cm³/min，沉积HfO₂时的充氧量为15cm³/min。薄膜的偏振特性测量如图1，测量结果为：p光透过率99.61%, s光透过率0.09%，消光比达到1100:1。

　　考虑到设计的夹具中心位置的漂移，以及工件离蒸发源距离的影响，对工艺方案进行了精确的校准。实验结果精确定位了比例因子。测量结果表明，工艺得到了初步稳定。根据该工艺方案，镀制了4块尺寸为180mm×90mm ×20mm的偏振片。损伤测试在光学中心的三波段激光器上进行。激光损伤概率曲线见图2。由损伤概率曲线，得到零概率损伤阈值为16.5J/cm² (1064nm，10ns)，损伤脉宽关系t^0.35律，折算到1ns时的零概率损伤阈值约为8J/cm²。

　　通过采用标准对称设计，进一步优化沉积工艺，通过精密监控，镀制了四块尺寸为180mm×90mm×20mm的HfO₂/SiO₂偏振薄膜。测量结果表明，偏振片的最大消光比可达1100:1，损伤阈值约为8J/cm²(1064nm , 1ns)。这是国内首次获得同时满足高消光比和高阈值特性的中等口径偏振膜，标志着高功率激光系统偏振片的研制取得了新的突破。