摘要：本研究旨在探究 SiO₂半波覆盖层对 HfO₂/SiO₂高反射膜激光损伤特性的影响。通过电子束蒸发技术制备了具有不同 SiO₂半波覆盖层状态的 HfO₂/SiO₂高反射膜样品，利用 1064nm 脉冲激光器对样品进行激光辐照实验，结合扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等表征手段，分析膜层的损伤形貌、粗糙度变化以及损伤阈值的差异。研究结果表明，合理引入 SiO₂半波覆盖层能够有效改善高反射膜的抗激光损伤性能，为高功率激光系统中高性能反射膜的设计与制备提供了重要参考依据。
一、引言
在高功率激光系统中，反射膜作为关键光学元件，其性能直接关系到系统的输出能量、光束质量以及稳定性。HfO₂/SiO₂高反射膜由于其良好的光学性能和相对较高的抗激光损伤能力，在 1064nm 波长的高功率激光应用中得到广泛使用 。然而，随着激光技术的不断发展，对反射膜的抗激光损伤性能提出了更高要求 。激光损伤会导致膜层的反射率下降、光学性能恶化，甚至造成膜层脱落，严重影响激光系统的正常运行 。
研究表明，膜层的微观结构、杂质含量、缺陷分布以及膜层间的界面特性等因素都会对其抗激光损伤性能产生显著影响。引入覆盖层是改善膜层性能的一种有效手段。SiO₂材料具有化学稳定性高、光学均匀性好、在 1064nm 波长处吸收低等优点，常被用作覆盖层材料 。本研究通过在 HfO₂/SiO₂高反射膜表面制备 SiO₂半波覆盖层，系统研究其对高反射膜激光损伤性能的影响，以期为高功率激光系统中反射膜的优化设计提供理论和实验基础 。
二、实验部分
2.1 样品制备
选用表面粗糙度小于 1nm 的 K9 玻璃作为基底，采用电子束蒸发技术在基底上制备 HfO₂/SiO₂高反射膜 。HfO₂作为高折射率材料，在 1064nm 处折射率约为 2.0 - 2.1；SiO₂作为低折射率材料，在该波长处折射率约为 1.45 。依据多层膜干涉理论，设计了以（HL）sH 为结构的膜系，其中 H 代表 HfO₂膜层，L 代表 SiO₂膜层，s 为周期数，经优化计算确定 s = 15 时，在 1064nm 波长处可实现反射率大于 99.5% 的目标 。
在制备过程中，先将真空室利用机械泵和 ROOTS 泵抽至 8Pa 气压，再通过冷凝泵降至 1.0×10⁻³ Pa 以下 。基片由真空室内底部的石英加热器加热，加热至 200℃以上时，温度漂移不超过 8℃，但因电子束加热源材料产生辐射热，从室温加热到该温度区间时，真空室内气压会因出气上升近 2 个量级，故需等待 5 - 6 小时，待气压重新降回 1.0×10⁻³ Pa 以下才进行镀膜 。HfO₂源材料由北京有色金属研究院提供，含 2% - 3% ZrO₂，颗粒尺寸 1.5 - 4.0mm，沉积前进行逐层预熔除气并形成平坦预熔面，以保证沉积速率稳定 。SiO₂源材料由日本 Optron 公司提供，纯度 99.99%，颗粒尺寸 2 - 3mm 。膜层几何厚度由石英晶振控制器监控，光学厚度由 OMS3000 光控系统控制，石英晶振器监控沉积速率，通过 Leycom 控制系统调节电子枪功率维持稳定 。
为研究 SiO₂半波覆盖层的影响，制备两组样品：一组为未添加 SiO₂半波覆盖层的 HfO₂/SiO₂高反射膜（样品 A）；另一组在制备好的 HfO₂/SiO₂高反射膜表面，利用电子束蒸发技术沉积一层厚度为半波长（对应 1064nm 波长）的 SiO₂覆盖层（样品 B） 。
2.2 激光损伤测试
采用波长 1064nm、脉宽 5ns、重复频率 1Hz 的高功率脉冲激光器进行激光损伤测试 。实验采用 1 - on - 1 测试方法，即对每个测试点仅施加一次激光脉冲 。通过逐渐增加激光能量密度，直至膜层表面出现损伤，记录此时的激光能量密度作为抗激光损伤阈值 。损伤形貌通过扫描电子显微镜（SEM）进行观察，以分析损伤的特征和程度 。同时，利用原子力显微镜（AFM）测量损伤区域及周边的表面粗糙度，评估激光损伤对膜层表面质量的影响 。
三、结果与讨论
3.1 抗激光损伤阈值
测试结果显示，样品 A 的抗激光损伤阈值为 60 J/cm²，而样品 B 的抗激光损伤阈值提升至 75 J/cm² 。这表明 SiO₂半波覆盖层的引入有效提高了 HfO₂/SiO₂高反射膜的抗激光损伤能力 。分析认为，SiO₂半波覆盖层具有较低的吸收系数，能够减少激光能量在膜层表面的吸收，降低膜层因吸收激光能量而产生的温升，从而减少热应力导致的损伤 。此外，SiO₂覆盖层的存在可以起到一定的缓冲作用，减缓激光辐照产生的冲击波对下层 HfO₂/SiO₂膜系的冲击，进而提高膜系的整体抗激光损伤性能 。
3.2 损伤形貌分析
SEM 观察结果表明，样品 A 在激光损伤后，膜层表面出现明显的坑状损伤，损伤区域周围有膜层剥落现象，部分区域可见明显的裂纹扩展 。而样品 B 损伤后，坑状损伤的尺寸相对较小，膜层剥落现象较轻，裂纹扩展不明显 。这进一步证实了 SiO₂半波覆盖层对膜层的保护作用 。在激光辐照过程中，SiO₂覆盖层首先承受激光能量，其良好的热稳定性和机械性能能够有效抑制损伤的进一步扩展，减少对下层 HfO₂/SiO₂膜系的破坏 。
3.3 表面粗糙度变化
AFM 测量结果显示，样品 A 损伤区域的表面粗糙度均方根值（RMS）从初始的 0.5nm 增加到 3.0nm，而样品 B 损伤区域的 RMS 值增加到 1.5nm 。这表明 SiO₂半波覆盖层的存在能够有效减小激光损伤对膜层表面粗糙度的影响 。表面粗糙度的增加会导致激光散射增强，降低膜层的反射率，影响光学性能 。SiO₂覆盖层通过减少损伤程度，维持了膜层表面的相对平整度，有助于保持膜层在损伤后的光学性能 。
四、结论
本研究通过实验对比，系统分析了 SiO₂半波覆盖层对 HfO₂/SiO₂高反射膜激光损伤性能的影响 。结果表明，引入 SiO₂半波覆盖层能够显著提高 HfO₂/SiO₂高反射膜的抗激光损伤阈值，减轻损伤程度，减小损伤对膜层表面粗糙度的影响 。这为高功率激光系统中高性能反射膜的设计与制备提供了重要的技术思路 。未来，可进一步深入研究 SiO₂覆盖层的厚度、微观结构以及与下层膜系的界面结合特性等因素对激光损伤性能的影响机制，以实现对高反射膜抗激光损伤性能的更精准调控，满足不断发展的高功率激光技术对光学薄膜性能的严苛要求 。
