近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部和上海理工大学合作，在光学薄膜的超低吸收研制工艺研究中取得新进展，制备得到了吸收损耗仅为1.4 ppm的高反射多层膜，相关研究成果以“Effect of ionic oxygen concentration on properties of SiO2 and Ta2O5 monolayers deposited by ion beam sputtering”为题，发表于Optical Materials。
随着激光技术的发展，具有超低吸收损耗的激光薄膜对激光干涉引力波探测器等高精度光学系统至关重要。光学薄膜的吸收会影响元件的光学性能导致系统性能下降，此外吸收带来的热量沉积引起元件热畸变会造成光束质量的急剧恶化。薄膜沉积过程中的工艺参数会对薄膜材料的光学性能产生直接影响，但目前针对离子束溅射过程中离子氧参数对薄膜吸收损耗影响的研究还不够充分。
图1 不同工艺参数下薄膜的光学常数
研究团队通过双离子束溅射沉积系统制备了SiO2、Ta2O5两种单层氧化物薄膜，研究了不同离子氧浓度和氧流速对薄膜光学常数、吸收损伤、-OH缺陷含量等性能参数的影响。结果表明，较高的离子氧浓度有助于弥补SiO2材料在溅射过程中由于高能粒子碰撞导致的失氧情况，降低SiO2薄膜的吸收损耗。当离子氧浓度较高时，较低能量的离子氧束流会降低Ta2O5薄膜的致密度，使折射率减小，因为辅助离子源的电压、电流维持不变，电离氧气产生的总能量是一定值，当氧的浓度增大时，电离产生的离子氧的动能就会减小，使其对基底表面的轰击作用减弱，从而降低沉积膜层的致密度。改善工艺参数后光学薄膜的吸收损耗可达到10-6量级，并且通过退火后处理可进一步降低。最优工艺条件制备的多层高反膜在1064nm处的反射率大于99.99%，吸收损耗达到1.4ppm，满足高功率高精密光学系统的性能需求。研究结果为超低吸收损耗薄膜的制备提供了解决方案，对提高高功率高精度光学系统的性能起到了重要作用。
图2 不同工艺参数制备的薄膜在退火后的吸收损耗