惯性约束聚变激光驱动装置用大尺寸偏振薄膜的研究

封面文章|邵建达,朱美萍,李静平,孙建,赵元安,易葵. 惯性约束聚变激光驱动装置用大尺寸偏振薄膜研究综述[J]. 光学学报, 2019, 39(10): 1000001

激光偏振薄膜通常用作光开关或隔离元件,可应用在大型高功率激光装置中,如我国神光装置(SG装置)、美国国家点火装置(NIF装置)、法国兆焦耳装置(LMJ装置)等惯性约束聚变(ICF)领域的激光装置。

关键技术:

激光偏振薄膜在惯性约束聚变(ICF)激光驱动装置等大型高功率激光装置中起着至关重要的作用,甚至影响整个激光装置的构型。大尺寸偏振薄膜同时具备高透射和高反射功能,将高能激光分为高透p光和高反s光,是保证装置输出能量且安全运行的核心元件。

图1 偏振薄膜功能示意图

应用于高功率激光系统的大尺寸偏振薄膜需具备优异的光谱性能、高的激光损伤阈值和低的膜层应力。正是由于尺寸大(对角线长度接近1m)、膜层厚度和均匀性控制要求以及激光损伤阈值要求高,大尺寸偏振薄膜被公认为是激光聚变装置中研制难度最高的薄膜元件。

在实际应用中,为了满足光谱性能要求,偏振薄膜通常包含30层以上的高、低折射率交替的膜层,膜层总厚度不少于4μm。为了满足综合性能要求,偏振薄膜厚度甚至达到8μm以上,致使其激光损伤阈值总体偏低。较厚的膜层同时会增加应力的控制难度。

发展历史:

国外激光偏振薄膜的研究始于上世纪七十年代,当时偏振薄膜的激光损伤阈值远低于反射薄膜,甚至低于减反射薄膜的激光损伤阈值。

上世纪九十年代中期,为了建设NIF原型装置Beamlet,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)联合光谱物理公司(Spectra-Physics)以及罗彻斯特大学的LLE实验室(Laboratory for Laser Energetics)开展大尺寸偏振薄膜的研究工作。

1999年,C. J. Stolz等人研究了偏振薄膜的膜系设计对偏振薄膜性能的影响,通过优化膜层电场强度分布提高偏振薄膜的激光损伤阈值,但代价是带宽和消光比等光谱性能的折衷。随着研究的推进,发现了“节瘤缺陷是诱导偏振薄膜激光损伤的重要源头”,进而使用金属铪代替氧化铪作为初始镀膜材料、采用激光预处理技术,提升了偏振薄膜的激光损伤阈值。

膜层应力会引起光学元件镀膜前后波面质量发生变化,控制不良时会引起膜层龟裂。2004年,E. Lavastre等人报道了法国Laser Integration Line (LIL)装置中使用的偏振薄膜元件整个通光口径内有10条左右宽度小于3 μm的裂纹。

2012年,罗彻斯特大学的J. B. Oliver等人利用Al2O3膜层补偿HfO2/SiO2膜层应力,提供了一种解决膜层龟裂问题的技术途径。

国内最早开展偏振薄膜应用性研究也是在上世纪七十年代初期,在此期间的研究单位主要有中国科学院上海光学精密机械研究所(上海光机所)、浙江大学、西南技术物理研究所和华北光电技术研究所等。近年来,在我国SG系列装置的需求牵引下,上海光机所、成都精密光学工程研究中心、同济大学等机构,围绕高功率激光薄膜研制开展了深入的研究,取得了重要进展。

上海光机所早在1975年就开始采用ZrO2和SiO2两种镀膜材料研制偏振薄膜,并很快应用于高功率激光系统。近年来,相关研究工作大幅提高了各类介质薄膜元件的激光损伤阈值,研制的薄膜在激光损伤阈值国际竞赛中取得最佳结果。

作为我国唯一大尺寸激光偏振薄膜供应单位,上海光机所成功制备出尺寸810mm×430mm×90mm的高性能偏振薄膜元件,相关研制产品已成功应用于我国SG系列高功率激光、超强超短激光等大型激光装置。

研究进展:

针对SG系列装置对偏振薄膜的性能要求,上海光机所从镀膜材料、薄膜设计、膜层厚度和均匀性控制、激光损伤阈值及膜层应力等方面开展了大量的研究工作:

(1)镀膜材料

镀膜材料会影响偏振薄膜的消光比、带宽和激光损伤阈值。高、低折射率两种镀膜材料折射率差值越大,偏振薄膜的消光比和设计带宽就越大,但高的激光损伤阈值要求限制了镀膜材料的可选性。

研究发现,在低折射率镀膜材料的选择方面,SiO2几乎是不可替代的超低损耗材料;在高折射率材料方面,则经历了从TiO2、Ta2O5向ZrO2、HfO2转化的变革。与其他材料相比,HfO2和SiO2制备的偏振薄膜带宽更窄,但出色的抗激光损伤能力使其成为制备1064 nm高功率激光偏振薄膜最常用的镀膜材料。

(2)综合膜系设计

膜系设计除了要满足光谱性能要求之外,还应充分考虑膜系结构对薄膜激光损伤阈值和膜层应力的影响。

上世纪七十年代,上海光机所开展了驻波场效应相关的研究工作,并将驻波场设计的概念融入在具体的膜系设计中。通过驻波场设计将电场峰值移动到SiO2材料中,降低HfO2层与SiO2层的界面电场,提高多层膜的激光损伤阈值。

(3)膜层厚度及均匀性控制

精确控制膜层厚度是获得优良光谱性能的关键。上海光机所采用多个光学监控片,以膜层厚度误差作为评价函数,优化膜层拆分和光学监控片的监控顺序,将膜厚控制精度提升一个量级,满足了光谱性能要求所需的监控精度和稳定性。

(4)激光损伤阈值

针对大尺寸基底无法实现零结构性缺陷加工的困难,提出了基底缺陷“缝合”修复技术,在基底和膜层间引入缝合层,避免了薄膜对基底结构性缺陷的复形,降低了缺陷区域电场强度,缝合后激光损伤阈值接近无结构性缺陷膜层的水平。

针对膜层中的节瘤缺陷,一方面,采用金属铪取代氧化铪作为初始镀膜材料,显著降低了节瘤缺陷密度;另一方面,通过激光预处理技术和离子后处理技术,提高了激光损伤阈值。

针对膜层界面孔隙多、结合力差,易出现分层剥落损伤的问题,创新发展了大尺寸多层膜渐变界面沉积技术,有效抑制了分层薄膜的激光损伤,提升了激光损伤阈值。

上海光机所研制的大尺寸偏振薄膜元件的激光损伤阈值满足当前高功率激光驱动装置提出的14 J/cm2(1053 nm,5 ns )的技术指标要求。研制的激光偏振薄膜在2012年激光损伤阈值国际竞赛中取得最佳结果。

(5)膜层应力

针对膜层龟裂问题,上海光机所采用了离子束辅助和电子束沉积技术,结合膜系设计优化偏振薄膜的应力匹配设计,解决了大尺寸偏振薄膜膜层龟裂的技术难题。图2所示为偏振薄膜元件(810mm×430mm×90mm)的实物图。

图2 偏振薄膜元件的实物图

面临挑战:

近期,大尺寸偏振薄膜技术研究所面临的挑战是,在保证激光损伤阈值和波面质量的前提下,提升偏振薄膜的带宽和消光比,以满足宽光谱激光种子源的偏振分光需求。然而,偏振薄膜的光谱性能、激光损伤阈值和波面质量等指标是相互制约的。基于现有镀膜材料和沉积技术,提升偏振薄膜的带宽和消光比等光谱性能,必然会增加膜层厚度,进而会降低激光损伤阈值和波面质量。

针对该难题,激光薄膜工作者正在开展基于新材料和新工艺的大尺寸、宽带偏振薄膜的设计与制备研究工作。相信在不久的将来,研发者会制备出具有宽带宽的大尺寸、高性能激光偏振薄膜。