近日，中國科學(xué)院上海光機所邵建達研究員、朱美萍研究員與美國新墨西哥大學(xué)Wolfgang Rudolph教授等人合作基于可調(diào)諧納米疊層的思想設(shè)計紫外激光反射薄膜，實現(xiàn)了具有高反射率、寬帶寬和高激光損傷閾值的355nm激光反射薄膜。該設(shè)計思想為提高紫外激光薄膜性能開辟了新的途徑，為支撐高功率激光領(lǐng)域的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果于近期以“Nanolaminate-based design for UV laser mirror coating”在線發(fā)表在國際頂尖光學(xué)期刊《Light: Science & Applications》上。論文第一作者是中國科學(xué)院上海光機所朱美萍研究員，共同通訊作者為朱美萍研究員、Wolfgang Rudolph教授和邵建達研究員。

激光裝置輸出功率的不斷提升對激光薄膜的要求不斷提高。理想的紫外激光反射薄膜需要同時具有高的反射率、寬的反射帶寬和高的激光損傷閾值。然而，這些要求往往很難同時滿足。這是由于高的反射率和寬的反射帶寬需要高折射率的材料，然而較高折射率的材料往往具有較小的光學(xué)帶隙，因此具有較低的激光損傷閾值。過去通常采用組合膜系設(shè)計，即在具有高反射率的膜堆上沉積具有高激光損傷閾值的膜堆，來實現(xiàn)紫外激光反射薄膜。組合膜系的設(shè)計需要對反射率、帶寬和激光損傷閾值等相互制約的性能要求進行權(quán)衡折衷。

在這項工作中，研究團隊展示了一種基于共蒸界面納米疊層的“集高反射率和高激光損傷閾值于一體”的反射薄膜設(shè)計方法。在這種設(shè)計方法中，采用兩種材料交替的納米疊層作為一層具有高折射率和大光學(xué)帶隙的等效層，取代傳統(tǒng)組合膜系設(shè)計中的高折射率膜層。在保持總光學(xué)厚度不變的前提下，通過改變納米疊層中兩種材料的厚度比例，可以調(diào)節(jié)納米疊層薄膜的（平均）折射率和光學(xué)帶隙。這使得發(fā)展出同時具備高反射率和高激光損傷閾值的紫外反射薄膜成為可能。隨后，研究團隊使用電子束沉積技術(shù)，在實驗上證明了基于Al2O3-HfO2納米疊層的反射薄膜在紫外波段具有更高的反射率、帶寬和激光損傷閾值，適用于紫外激光領(lǐng)域。與傳統(tǒng)組合膜系設(shè)計相比，該納米疊層設(shè)計的紫外激光反射薄膜（兩者總膜層厚度接近）具有若干優(yōu)點。首先，納米疊層設(shè)計薄膜在紫外波段具有更高的反射率和更寬的帶寬，同時在可見至近紅外波段具有更低的透射波紋；其次，納米疊層設(shè)計薄膜中電場強度隨膜層深度衰減的更快，節(jié)瘤缺陷引起的電場增強更低，薄膜中的吸收更低，從而具有更高的紫外激光損傷閾值；最后，該技術(shù)適用于大尺寸（對角線尺寸達米級）激光薄膜的制備。研究團隊利用納米疊層的折射率和光學(xué)帶隙可調(diào)諧的特性來設(shè)計超越傳統(tǒng)紫外激光薄膜性能的新型紫外激光反射薄膜，為提高激光薄膜綜合性能提供了一種重要的技術(shù)途徑?；诩{米疊層的激光薄膜設(shè)計思想在未來可以通過改變疊層材料種類和厚度比例進一步拓展從而形成其他高綜合性能的激光薄膜元件。據(jù)悉，本論文的核心概念已提交了中國發(fā)明專利申請。

圖1. 高激光損傷閾值反射薄膜膜系設(shè)計的結(jié)構(gòu)示意圖。

（a）使用高折射率和低折射率材料交替結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)組合膜系設(shè)計示意圖。

（b）使用納米疊層和低折射率材料交替結(jié)構(gòu)的新型納米疊層膜系設(shè)計示意圖。

圖2. Al2O3、HfO2和Al2O3-HfO2納米疊層薄膜的性能表征。

（a）納米疊層薄膜中Al2O3和HfO2的含量隨膜層物理厚度的變化曲線。

（b）XRD譜圖。

（c）透射光譜曲線。A2O3單層膜，HfO2單層膜和Al2O3-HfO2納米疊層薄膜的物理厚度分別為513.8 nm，540.7 nm和444.1 nm。插圖所示為膜層折射率。

圖3. 傳統(tǒng)組合膜系設(shè)計和基于納米疊層膜系設(shè)計的紫外反射薄膜性能。

（a）TCD和（b）NLD薄膜的剖面形貌（由高分辨率透射電子顯微鏡表征）。

（c）SiO2，Al2O3和HfO2含量隨膜層深度的變化曲線。

（d）反射和（e）透射光譜曲線（45°入射角，實線：s偏振光，點線：p偏振光）。

（f）單脈沖損傷概率與激光輻照能量的關(guān)系。

（g）電場強度分布曲線。

（h）吸收隨波長的變化曲線。

圖4.激光損傷形貌圖。

（a-h）SEM-FIB表征的激光損傷表面形貌圖和剖面形貌圖。

（i-l）激光損傷形貌隨激光能量變化的示意圖。