撰稿人 |Haes Lin

論文題目 | 用於(yu) 高功率激光應用的襯底雕刻抗反射納米結構表麵

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(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室

論文概述

勞倫(lun) 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麵結構層增強高功率激光係統光學元件抗反射性能的新方法，並於(yu) 2020年5月12日以“Substrate-engraved antireflective nanostructured surfaces for high-power laser applications（用於(yu) 高功率激光應用的襯底雕刻抗反射納米結構表麵）”為(wei) 題，發表在國際光學權威期刊Optica。

文章介紹了利用微納米工藝製備隨機抗反射超表麵結構，對比參考基底材料，超表麵結構在351nm和1053nm高功率激光表麵損傷(shang) 閾值測試結果與(yu) 參考基底非常接近（1053nm：參考基底材料81J/cm2，超表麵結構74J/cm2；351nm：參考基底材料47J/cm2，超表麵結構30J/cm2）。該工作為(wei) 拓展高功率激光器在X射線源、可再生能源和光-物質相互作用探測等應用提供了新的方法。

研究背景

高功率激光係統在可再生能源、定向能源、光-物質相互作以及特殊輻射源等方麵的影響日益增加，例如顯微鏡和醫用X射線源、無損檢測和醫用中-質子源，以及光刻電子發射源等。目前幾乎所有高功率激光係統的關(guan) 鍵部件，特別是易受激光損傷(shang) 的光學元件表麵都有抗反射塗層，其在提高高功率激光係統整體(ti) 效率的同時降低雜散光，在安全、最大化能量輸出強度方麵起著至關(guan) 重要的作用。然而，由多層電介質和溶膠-凝膠組成的傳(chuan) 統抗反射塗層具有固有的局限性，限製了其應用範圍。多層電介質塗層雖然環境穩定，但由於(yu) 製造設計中的多種材料界麵，導致其激光損傷(shang) 閾值較低。

為(wei) 了避免傳(chuan) 統抗反射塗層的缺點，近些年一種借助於(yu) 表麵製造技術的微納米結構作為(wei) 抗反射塗層的方法取得了一係列新進展。這些表麵被定義(yi) 為(wei) 具有光學特性的功能結構表麵，其光學特性由單元結構而非組成材料決(jue) 定。單元結構可用於(yu) 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(ya) 波長元件構成的光學納米結構表麵是目前微納光學器件研究的重點，通過探索超表麵結構空間調製特性，可以對平麵光學、聚焦透鏡等光學元件性能的改進產(chan) 生顛覆性影響。

技術突破

根據Bruggeman’s聯合公式，研究人員設計了用於(yu) 多層平麵的熔融石英材料結構（見圖1（a）和（b）），通過填充因子近似表示該層的有效折射率。填充因子指數將隨基質和空隙體(ti) 積的混合比而變化，變化率取決(jue) 於(yu) 特性高度。基於(yu) 該納米幾何結構的傳(chuan) 輸矩陣計算結果如圖1（c）和1（d）所示。通過控製納米結構特征高度和側(ce) 壁傾(qing) 斜度，可以設計具有指定特征波段的抗反射結構。

圖1 超表麵結構設計及仿真結果：（a）和（b）分別表示模型側(ce) 視圖和俯視圖，傾(qing) 斜函數（SF）和周期（Λ），填充因子由結構特征相對於(yu) 基底表麵積的麵積分數給出，其中A表示投射到基底的特征表麵積；結構參數是在不同深度指數分級情況下結構反射率最小的關(guan) 鍵，（c）垂直側(ce) 壁SF=0，（b）SF=1。

納米結構損傷(shang) 通常會(hui) 導致器件微米級區域出現特征退化，局部反射率相對於(yu) 初始值會(hui) 有增加。然而，由於(yu) 這些無特征區域的尺寸有限，全孔徑傳(chuan) 輸受到的影響相對較小。必須注意的是，連續的激光照射到先前損傷(shang) 區域不會(hui) 導致損傷(shang) 增長，通過早期的損傷(shang) 閾值表征結果表明，由於(yu) 納米結構損傷(shang) 程度不會(hui) 增長，因此在這種損傷(shang) 發生後，光學器件具有更高的局部損傷(shang) 閾值。在產(chan) 生良性（非生長）納米結構損傷(shang) 之後，光學元件可以承受不斷增加的能量輸入，直到達到下一個(ge) 激光損傷(shang) 機製。

圖2 樣品激光損失實驗結果：（a）納米結構表麵損傷(shang) 形貌SEM表征；（b）和（c）351nm激光損傷(shang) 試驗結果；（d）和（e）1053nm激光損傷(shang) 試驗結果。

圖3 納米結構靜態魯棒性實驗結果：使用半徑為(wei) 200μm的標準尖端加載（a）351nm結構和（b）1053nm結構，負載範圍為(wei) 50 mN至50 N。

觀點評述

超表麵結構的引入對傳(chuan) 統光學元件性能的提成帶來了新的方向，目前超表麵結構在光學成像、傳(chuan) 輸、通信、探測等領域均實現了良好的應用價(jia) 值，未來的發展前景客觀。比如本文中高功率激光器抗損傷(shang) 減反射超表麵結構的設計及應用，這些納米結構表麵顯示出巨大的潛力，可以有效地擴展高功率激光的應用領域，同時這類超表麵結構材料具有優(you) 異的機械和光學性能，並在調整光學傳(chuan) 輸方麵具有高度的靈活性，大大減輕了高功率激光係統中光學處理的負擔，為(wei) 應用於(yu) 極端條件下的光學係統開發和研製提供了新的方式方法。