撰稿人 |Haes Lin

論文題目 | 用于高功率激光應(yīng)用的襯底雕刻抗反射納米結(jié)構(gòu)表面

Substrate-engraved antireflective nanostructured surfaces for high-power laser applications

作者 | Nathan J. Ray, Jae-Hyuck Yoo, Hoang T. Nguyen, Michael A. Johnson, Selim Elhadj, Salmaan H. Baxamusa, and Eyal Feigenbaum

完成單位| 勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

論文概述

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室Eyal Feigenbaum教授團隊提出了一種利用超表面結(jié)構(gòu)層增強高功率激光系統(tǒng)光學元件抗反射性能的新方法，并于2020年5月12日以“Substrate-engraved antireflective nanostructured surfaces for high-power laser applications（用于高功率激光應(yīng)用的襯底雕刻抗反射納米結(jié)構(gòu)表面）”為題，發(fā)表在國際光學權(quán)威期刊Optica。

文章介紹了利用微納米工藝制備隨機抗反射超表面結(jié)構(gòu)，對比參考基底材料，超表面結(jié)構(gòu)在351nm和1053nm高功率激光表面損傷閾值測試結(jié)果與參考基底非常接近（1053nm：參考基底材料81J/cm2，超表面結(jié)構(gòu)74J/cm2；351nm：參考基底材料47J/cm2，超表面結(jié)構(gòu)30J/cm2）。該工作為拓展高功率激光器在X射線源、可再生能源和光-物質(zhì)相互作用探測等應(yīng)用提供了新的方法。

研究背景

高功率激光系統(tǒng)在可再生能源、定向能源、光-物質(zhì)相互作以及特殊輻射源等方面的影響日益增加，例如顯微鏡和醫(yī)用X射線源、無損檢測和醫(yī)用中-質(zhì)子源，以及光刻電子發(fā)射源等。目前幾乎所有高功率激光系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，特別是易受激光損傷的光學元件表面都有抗反射涂層，其在提高高功率激光系統(tǒng)整體效率的同時降低雜散光，在安全、最大化能量輸出強度方面起著至關(guān)重要的作用。然而，由多層電介質(zhì)和溶膠-凝膠組成的傳統(tǒng)抗反射涂層具有固有的局限性，限制了其應(yīng)用范圍。多層電介質(zhì)涂層雖然環(huán)境穩(wěn)定，但由于制造設(shè)計中的多種材料界面，導致其激光損傷閾值較低。

為了避免傳統(tǒng)抗反射涂層的缺點，近些年一種借助于表面制造技術(shù)的微納米結(jié)構(gòu)作為抗反射涂層的方法取得了一系列新進展。這些表面被定義為具有光學特性的功能結(jié)構(gòu)表面，其光學特性由單元結(jié)構(gòu)而非組成材料決定。單元結(jié)構(gòu)可用于修改不同的材料特性，例如折射率、熱機械性能或電性能等。由亞波長元件構(gòu)成的光學納米結(jié)構(gòu)表面是目前微納光學器件研究的重點，通過探索超表面結(jié)構(gòu)空間調(diào)制特性，可以對平面光學、聚焦透鏡等光學元件性能的改進產(chǎn)生顛覆性影響。

技術(shù)突破

根據(jù)Bruggeman’s聯(lián)合公式，研究人員設(shè)計了用于多層平面的熔融石英材料結(jié)構(gòu)（見圖1（a）和（b）），通過填充因子近似表示該層的有效折射率。填充因子指數(shù)將隨基質(zhì)和空隙體積的混合比而變化，變化率取決于特性高度?；谠摷{米幾何結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣計算結(jié)果如圖1（c）和1（d）所示。通過控制納米結(jié)構(gòu)特征高度和側(cè)壁傾斜度，可以設(shè)計具有指定特征波段的抗反射結(jié)構(gòu)。

圖1 超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真結(jié)果：（a）和（b）分別表示模型側(cè)視圖和俯視圖，傾斜函數(shù)（SF）和周期（Λ），填充因子由結(jié)構(gòu)特征相對于基底表面積的面積分數(shù)給出，其中A表示投射到基底的特征表面積；結(jié)構(gòu)參數(shù)是在不同深度指數(shù)分級情況下結(jié)構(gòu)反射率最小的關(guān)鍵，（c）垂直側(cè)壁SF=0，（b）SF=1。

納米結(jié)構(gòu)損傷通常會導致器件微米級區(qū)域出現(xiàn)特征退化，局部反射率相對于初始值會有增加。然而，由于這些無特征區(qū)域的尺寸有限，全孔徑傳輸受到的影響相對較小。必須注意的是，連續(xù)的激光照射到先前損傷區(qū)域不會導致?lián)p傷增長，通過早期的損傷閾值表征結(jié)果表明，由于納米結(jié)構(gòu)損傷程度不會增長，因此在這種損傷發(fā)生后，光學器件具有更高的局部損傷閾值。在產(chǎn)生良性（非生長）納米結(jié)構(gòu)損傷之后，光學元件可以承受不斷增加的能量輸入，直到達到下一個激光損傷機制。

圖2 樣品激光損失實驗結(jié)果：（a）納米結(jié)構(gòu)表面損傷形貌SEM表征；（b）和（c）351nm激光損傷試驗結(jié)果；（d）和（e）1053nm激光損傷試驗結(jié)果。

圖3 納米結(jié)構(gòu)靜態(tài)魯棒性實驗結(jié)果：使用半徑為200μm的標準尖端加載（a）351nm結(jié)構(gòu)和（b）1053nm結(jié)構(gòu)，負載范圍為50 mN至50 N。

觀點評述

超表面結(jié)構(gòu)的引入對傳統(tǒng)光學元件性能的提成帶來了新的方向，目前超表面結(jié)構(gòu)在光學成像、傳輸、通信、探測等領(lǐng)域均實現(xiàn)了良好的應(yīng)用價值，未來的發(fā)展前景客觀。比如本文中高功率激光器抗損傷減反射超表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用，這些納米結(jié)構(gòu)表面顯示出巨大的潛力，可以有效地擴展高功率激光的應(yīng)用領(lǐng)域，同時這類超表面結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的機械和光學性能，并在調(diào)整光學傳輸方面具有高度的靈活性，大大減輕了高功率激光系統(tǒng)中光學處理的負擔，為應(yīng)用于極端條件下的光學系統(tǒng)開發(fā)和研制提供了新的方式方法。