超强激光科学卓越创新简报

(第五百八十三期)

2024年12月20日

上海光机所在基于氧化钽的混合物薄膜研究方面取得进展

近期，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研究团队在基于氧化钽的混合物薄膜研究方面取得进展。相关研究成果以“Optical and femtosecond laser-induced damage-related properties of Ta₂O₅-based oxide mixtures”为题发表于《合金与化合物学报》（Journal of Alloys and Compounds）。

飞秒激光在激光精细加工、生物医学、非线性光学成像、高功率激光等多个领域均有广泛的应用。光学薄膜在飞秒激光系统中有重要的作用，然而其承受高强度飞秒激光脉冲的能力会受到激光诱导损伤阈值(LIDT)的限制。在超快时间尺度，薄膜的LIDT与材料带隙具有极大关联，高折射率材料与低折射率材料的混合可以调节其带隙。因此有必要研究不同的混合材料对薄膜光学性能以及与激光诱导损伤阈值相关性能的影响。

研究人员通过等离子体辅助电子束共蒸发沉积了四种基于Ta₂O₅的混合物薄膜，包括Ta₂O₅-TiO₂、Ta₂O₅-HfO₂、Ta₂O₅-Al₂O₃和Ta₂O₅-SiO₂，并与Ta₂O₅单层膜进行了比较。研究了薄膜的化学成分、微观结构、光学和飞秒激光 诱导损伤阈值（LIDT）特性。对于不同的混合材料，当混合物薄膜的折射率接近时，飞秒激光诱导损伤阈值表现出相当大的差异。实验结果表明，与其他混合物薄膜相比，Ta₂O₅-HfO₂混合物薄膜具有更大的光学带隙和更高的飞秒LIDT。Ta₂O₅-HfO₂混合物涂层的1-on-1 LIDT约为1032.3mJ/cm²（170fs），比Ta₂O₅单层膜的LIDT高25%。该项目考察了混合对于薄膜宏观性能的影响，为后续的薄膜研发提供材料选择。

相关工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院青年创新促进会等的支持。

原文链接

图1 氧化钽薄膜以及四种混合物薄膜的（a）透射率光谱；（b）折射率；（c）吸收以及（d）带隙对比。

图2 （a）在S-on-1（S=1，3，5，7，9）LIDT测试模式下，激光诱导损伤面积与激光能量密度的关系图；（b） 氧化钽薄膜以及四种混合物薄膜的激光诱导损伤阈值与激光脉冲数量的关系图。