据悉，德国LaserOptik和ELI Beamlines的研究人员报道了新型 IBS 涂层提高了帕瓦激光反射镜的性能。相关研究成果以“New IBS coatings boost performance of petawatt laser mirrors”为题发表在Vakuum in Forschung und Praxis,Dünne Schichten上。
现代光学镀膜的历史始于上世纪初，随着高真空技术的出现，这是薄膜沉积迅速发展的基本条件之一。法布里·珀罗干涉仪的银薄膜可以首先用这种技术生产出来。然而，激光的不断突破和光学仪器的日益复杂，迫使人们寻找高质量的光学涂层。蒸发涂层很快成为生产高质量激光反射镜的最先进技术。这些涂层主要通过电子束枪在加热的高真空室(>250°c)中沉积。每个电子束枪都发射出高压加速电子束，这些电子束被引导到含有涂层材料的水冷旋转坩埚中。光束在高达~2000°c的温度下熔化并蒸发材料(图1，左)。高沉积速率和足够大的可用涂覆面积使其具有良好的成本效益。蒸发层的多孔作为一个缺点，这导致光谱移位和波前变化取决于周围介质的湿度(热漂移，真空-空气漂移)。离子辅助沉积(IAD)是基于电子束蒸发(EBE)和一个额外的离子枪(图1，右)。等离子体被引导并为生长层提供离子轰击，从而产生更致密的微观结构，从而使热漂移和真空空气漂移最小化。传统的涂层技术在工业上的应用都很成熟，但当涉及到最复杂的薄膜沉积时，它们就会被限制，例如，用于超短脉冲应用的最低损耗或色散镜。
图1:用于高质量激光光学的传统镀膜技术概述。左:电子束蒸发室(EBE)。左下:蒸发薄膜的多孔层结构。右:离子辅助沉积(IAD)。右下:LaserOptik的创始人Johannes EBErt博士和他自己研发的离子枪
这些薄膜需要先进的沉积技术，如磁控溅射或离子束溅射，IBS(图2)。在IBS工艺中，在离子源内产生氩等离子体。离子被栅极组件加速至1.5千伏特能量，冲向带有所需涂层材料的溅射靶。目标组件可以配备多达三种不同的材料。与反应气体(氧)结合，在衬底上生长致密的介电层。一般来说，基板需要旋转才能达到足够高的层均匀性。LaserOptik用于沉积大尺寸基板的专用IBS机器还配备了特殊的齿轮，以提高径向均匀性。IBS涂层反射镜为拍瓦级激光光束传输提供了独特的优势。在真空循环的波前，紧凑和致密的层结构防止热或真空空气漂移和变化。此外，层状结构使这些溅射光学在超声波清洗阶段的自动清洗。用于大型激光反射镜的最先进的多孔电子束涂层根据周围介质的湿度表现出不断变化的涂层应力。这可能导致大尺寸反射镜的拉伸应力引起的裂纹，特别是在熔融硅衬底上。此外，在处理和真空空气循环过程中，多孔的层叠往往会吸收更多的污染。超声波清洗可能会损坏甚至烧蚀这种传统涂层。然而，一个主要的具有挑战性的性能参数，最高可能的激光诱导损伤阈值(LIDT)，不能通过涂层工艺直接解决。损伤机制在很大程度上取决于所应用激光的脉冲状态，这是一个三十多年来深入研究的领域。在本文中，研究人员将重点介绍在超短脉冲范围内工作的PW激光光束线的光学原理-飞秒(fs)到低皮秒(ps)。在这个时间范围内，激光引起的损伤是由涂层材料中的电子过程驱动的。各涂层材料的电子通过多光子吸收和雪崩电离被激发成自由态。当某一点达到临界密度时，库仑爆炸就会引起损伤。这种损伤行为具有很强的确定性，根据已知和表征的涂层材料，可以非常准确地计算出预期的损伤阈值。不幸的是，为了制造具有足够高反射率(R > 99.8%)和可忽略不计损耗的高性能fs激光反射镜，只有有限数量的涂层材料可用。光学元件的设计需要至少两种具有不同折射率的涂层材料。
图2:大型IBS机床原理图。右上:IBS薄膜的高密度、低散射层状结构。
由于时间-带宽关系，超短脉冲通常需要最高折射率的涂层材料来实现几个10nm的带宽。一般来说，与具有低折射率的单层介质相比，具有较高折射率的这种介质材料具有弱的、固有的激光诱导损伤阈值的特征。在高低折射率材料的交替层叠中，整个层叠的LIDT由层叠内部电场强度与各自应用材料的本征LIDT的相关性决定。因此，PW应用所需的最高LIDT值可以通过采用新的涂层材料或通过操纵电场来实现。近年来，溅射三元复合材料或量子化介电纳米层复合材料被发明出来。然后可以调整光学带隙并提高固有LIDT。特别是应用量子化纳米层合材料，可以在调整光学间隙的同时保持高折射率。在超短脉冲应用中，大多数复杂介质元件的LIDT与数值方法相结合可以大大提高电场的控制。这种设计策略对工艺参数的最小偏差都非常敏感。所需的高精度和可重复性主要可以通过IBS等溅射技术来满足。作为一个简短的临时结论，PW光束线的溅射反射镜涂层与传统的电子束涂层相比具有多种优势:
1、致密的层状结构，消除了暴露于真空时产生裂纹的危险。
2、IBS工艺的精度和可重复性为大多数复杂设计的制造打开了大门，允许对固有电场和LIDT进行操作。这种复杂的设计是传统的蒸发技术无法实现的。
到目前为止，IBS很少用于大型超快激光反射镜涂层。在接下来的部分中，研究将展示使用上述由LaserOptik内部开发的大型IBS机器涂覆的大型光束传输镜的结果。在本研究中，共制造了10个440 × 290 × 75 mm3的镜子，每批涂层两个衬底。这些反射镜将压缩30J, 25fs的HAPLS激光束以10 HZ的重复率和810 nm的中心波长完全在真空中引导到目标上。
图3:安装了光束传输镜基板的IBS涂层室内部视图。右上: 通过光谱测量位于不同半径上的0-25毫米涂层见证样品，证明光束传输镜的层均匀性。
ELI光束线的光束传输镜
高重复率、先进的千瓦激光系统HAPLS是一个Ti:Sa系统，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)制造。它设计的重复频率为10赫兹。这是有史以来第一个二极管泵浦的千瓦激光系统，最高300瓦的平均功率，在压缩机出口的光束正常影响约为70 mJ/cm2。实光束在自由空间(53~103 m)传播过程中发生强度递增的调制，这种调制源于激光放大和压缩系统的非理想光学器件相位误差的相位到幅度调制以及光束向目标的传输。因此，HAPLS光束传输镜涂层设计的主要挑战是在45°的入射角(AOI)下，在满足反射率(Rp≥99.8%)、群延迟色散(GDD≤50 fs2)和带宽(p偏振为80 nm)要求的同时，实现最高的激光诱导损伤阈值。大尺寸光学系统的LIDT由于目标碎片和局部强度峰值的影响而降低。因此，介电镜需要尽可能高的LIDT裕度，以提供长寿命和可靠的操作。高LIDT的一个主要优点是可以在没有复杂和昂贵的反射中继成像系统的情况下操作光束传输。因此，可以避免在传输过程中由于强度峰值造成的灾难性光学损伤。
均匀性、GDD带宽、LIDT、波前和裂纹风险的评估开发并评估了一种设计，该设计使用标准高低折射率材料(如Ta2O5和SiO2)的混合物，应用交替四分之一波堆栈。光谱宽度确保了指定的反射率和低GDD，以保持HAPLS的25 fs脉冲宽度。然后对层内电场强度进行优化。通过这种设计可以预测LIDT的明显增强。该涂层的p偏光带宽超过95 nm，同时保持GDD低于50 fs2，以810 nm为中心(图3)。GDD和透射或反射的测量表明，不同涂层运行的样品的光谱没有明显的变化，证明了研究的IBS工艺的高重复性。此外，利用IBS腔室内用于原位厚度控制的高分辨率光学宽带监测器的光谱仪可以确认真空到空气的位移可以忽略不计。此外，在光束传输镜的整个大孔径上，需要确保严格规定的层均匀性。如图3所示，将分布在转向镜全孔径上的各种直径为25毫米的涂层见证人样品放置在一个特殊的样品支架上，从而验证了这一点。同样，反射镜设计的中心波长的相对位移可以根据样品安装的位置进行比较。在HAPLS光束传输镜的440 × 290 mm2孔径范围内，测量到的相对位移小于0.25%，可以忽略不计。这个最小的位移完全被设计的光谱宽度的余量所覆盖。除了光谱特性外，测量和评估这些反射镜的LIDT也很重要。它是在50毫米直径的见证样品上测量的，包括在每个沉积运行中。样品具有与全尺寸基板相同的表面光洁度，并在真空中进行LIDT测试。LIDT测试在ELIBeamlines上按照ISO 21254-2 S-on-1测试协议进行，使用42 fs脉冲，重复频率为1 kHz，入射角为45°，s偏振光。每个站点的脉冲数设为S = 100,000个脉冲。样品表面LIDT为0.9 J/cm2，光束法向通量约为1.27 J/cm2。对不同镀膜运行的几个样品的LIDT进行了测量，结果显示，在IBS工艺和ELIBeamlines LIDT试验台的误差条内，LIDT具有很高的重现性(图4)。与传统电子束镀膜反射镜相比，这种LIDT优化设计在p偏光情况下的光谱宽度为Δλ = 95 nm，在s偏光情况下的光谱宽度为Δλ = 170 nm。
图4:根据ISO 2154 -2，使用ELI光束线LIDT试验台进行的见证样品损伤概率图。如果未发生损伤，则对样品进行100,000次脉冲照射。计算了样品表面s偏振光的通量值。
HAPLS的工作频率为25fs，最大频率为10Hz。在42fs时测得的LIDT值可以外推到25fs时涂层表面的0.76 J/cm2 (等于1.07 J/cm2的光束法向)。在30 J的操作下，HAPLS在目标室中的峰值通量不应超过0.2 J/cm2。预期安全系数为5.4 (1.07 J/cm2vs. 0.2 J/cm2)，可实现可靠的常规操作。在接下来的评估步骤中，将大型溅射镜暴露在光束线上的多个真空/空气循环中。在总共两周的时间里，经过30多次真空到空气循环后的光学检查显示，没有应力引起的裂纹，这种致密的IBS层正如研究人员所期望的那样。另一个重要的步骤是分析所有10个制造的反射镜的波前。介质涂层引入机械应力。由于溅射的HR涂层的压应力，平面基底变得略微凸出。对于75毫米厚的镜面基板上的涂层，计算出>100公里的曲率半径(ROC)，这对于应用来说并不重要。然而，需要对基材抛光和涂层诱导应力对反射波前误差(RWE)的影响进行更详细的分析。用Zygo Verifire干涉仪对涂层前后的RWE进行评估和分析。涂层后，峰谷(PV)范围从-214 nm到-385 nm，这取决于未涂层基板的表面图形(曲率)。如果需要，RWE可以通过精心计算的、针对特定前涂层进行优化的应力补偿后涂层来显着降低。RWE的功率和散光项可以在很大程度上通过目标腔内聚焦抛物线的适当对准得到补偿。这些新型涂层在进一步提高激光技术的性能和应用方面具有很大的潜力。IBS涂层组件有望增加PW激光设备的正常运行时间，并显着降低运营成本。最近，沉积的光束传输镜被应用于建立伽马射线束线，它在ELI束线上提供明亮的超快硬X射线辐射源。
图5:在LaserOptik计量洁净室实验室中，使用12 " Zygo Verifire干涉仪进行波前测量时，IBS涂层光束传输镜。左上:396 × 261 mm2透明孔径沉积后的典型波前:335 nm PV, 65 nm RMS。左下:将反射波前误差掩盖到230 × 230 mm2，去除功率和像散后的Strehl，得到的PV为86 nm, RMS为2.9 nm。
原标题：新型 IBS 涂层提高了帕瓦激光反射镜的性能
