4-7  光学材料微缺陷引起的损伤机理及后处理

柴立群  许  乔  胡建平  周礼书  王  毅  石琦凯

采用时域有限差分方法(FDTD)进行元件表面微结构电磁场分布的数值模拟；同时实验分析了化学湿法刻蚀对光学元件表面面形及粗糙度、激光损伤阈值等的影响。

采用二维三波FDTD方法分别计算了二维表面划痕、周期性微结构在TE及TM波入射下的电场分布，图1为表面划痕在TE波正入射下的电场分布，图2为采用三维三波FDTD方法计算的亚表面微结构时的电场分布。

结果表明，无论哪种情况，电场强度的局域增强是毫无疑问的，增大的幅度与入射光偏振状态、介质参数及相对位置等有关。

进行了温度、氢氟酸浓度及加入NH4F对光学元件表面刻蚀速率影响的实验。由实验得出，温度对刻蚀结果的影响较大；HF溶液浓度越大刻蚀速率的增长速度越快，但挥发性很强，不适宜采用过高浓度的HF溶液；NH4F加入量处于10%~13%时，刻蚀速率变化相对缓慢，适宜作为工作区间。总之湿刻工艺稳定性受影响因素较多，使用中需要严格控制相关参数。

刻蚀对光学材料的微观粗糙度影响与光学材料的类型、质量等级等有关。不同刻蚀深度的熔石英基片，其激光平均损伤阈值分别为0.89，1.14，1.49，1.26，1.48，1.46，1.36，1.14，1.17，1.18。本实验条件下，在一定刻蚀深度内(约500 nm以内)，基片抗激光损伤能力有所改善，随着刻蚀深度的进一步加深，基片抗激光损伤能力反而有所下降，这是由于刻蚀深度加大后，抛光层已经去除，暴露了材料本底的缺陷。

原型装置中，多数大口径光学元件加工完毕后使用中需要镀膜(反射、增透等)，而膜层的损伤阈值通常低于光学材料(K₉、熔石英、微晶等)，因此化学湿法刻蚀对光学材料的影响应着重从对最终的镀膜工艺及薄膜的损伤阈值的影响考虑，这也是以后工作中需要进行的研究。

本研究为损伤阈值的机理研究建立了理论计算模型基础，提供了有效的数值计算软件包；为“神光”-Ⅲ主机光学元件提高紫外损伤能力奠定了工艺基础。