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超强激光科学卓越创新简报

(第三百九十八期)

2023年6月16日

上海光机所在利用折射率连续调控技术制备无界面超宽带增透膜方面取得新进展

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室赵元安研究员团队报道了利用折射率连续调控技术制备具有折射率连续变化和纳米棒结构的“无界面”超宽带增透膜。相关成果发表在Optical Materials。 

　　带宽和激光诱导损伤阈值是影响光学系统中宽带增透膜性能的关键因素。在各种光学系统中，为了抑制由激光窗口、系统透镜、光栅或碎片产生的外部反射或散射光所产生的空间噪声，这些光学系统通常采用大量的增透膜，增加了相应的成本和复杂性。同时，薄膜材料与衬底之间激光损伤阈值的差异会进一步增加激光系统失效的风险。因此，开发具有宽光谱增透和高激光损伤阈值的低成本高性能增透薄膜对于提高光学系统的性能和降低成本具有重要意义。 

　　目前，广泛使用的宽带增透膜包括两种类型:由高、低折射率薄膜组成的系统，以及具有理想折射率和光学厚度的单层增透膜。然而相应的带宽受限于材料折射率和膜系，很难实现超宽带范围内减反射效果。倾斜沉积作为一种先进有效的方法，将传统的真空沉积方法与可控衬底旋转相结合，用于制备具有特殊纳米结构和可变折射率的薄膜。在膜层倾斜沉积的情况下，通过精确调控孔隙率，可以实现空气和近材料本征折射率范围内的任意折射率，为超宽带减反射薄膜的研制提供很大的灵活性。但是，研究人员在利用倾斜沉积技术设计薄膜系统时主要还是考虑折射率的不连续变化，这在理论上与传统的多层增透膜叠加类似。一方面，增透膜中界面的存在限制了增透膜的带宽。另一方面，它会增加界面缺陷的概率，增强膜层的内部电场。这两个因素都会降低薄膜的激光损伤阈值。 

　　针对这一难题，课题组根据有效介质理论和菲涅耳反射公式，设计了一种折射率从衬底到空气连续变化的“无界面”超宽带AR膜。利用倾斜沉积技术精确控制沉积角的变化率实现了折射率的连续调控，制备出了折射率连续变化且具有纳米棒结构的超宽带增透膜，并分析了该膜层的剩余反射率和激光损伤阈值等性能，还与传统工艺制备的的单波长增透膜进行了比较。由于薄膜内部的折射率连续变化，该超宽带增透膜在整个石英衬底200 - 2500nm透射波段的剩余反射率小于1%。同时，由于薄膜内“无界面”和松散的纳米棒结构，薄膜具有良好的散热和应力释放能力，界面效应显著降低。因此，它在抗激光损伤方面也表现出优异的性能。超宽带增透膜在1064 nm和532 nm处的损伤阈值分别为22.5 J/cm2和22.6 J/cm2，分别比传统电子束蒸发工艺制备的532 nm AR膜的激光损伤阈值高约50%，比1064 AR膜的激光损伤阈值高约20%。超宽带增透膜具有优异的光谱性能和抗损伤性，降低了光学系统的成本和损耗，提高了倾斜沉积膜在高功率激光系统中的应用前景。 

　　原文链接

图1.折射率连续变化的超宽带增透膜原理和实验图

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