碟片激光器系統(tǒng)的膜層

1、碟片激光器系統(tǒng)的膜層St. Gunster*a, D. Ristaua, B. Weicheltb, A. VossbaLaser Zentrum Hannover e.V. (LZH) , Hollerithallee 8, 30419 Hannover, Germany bInstitut fur Strahlwerkzeuge (IFSW), Pfaffenwaldring 43, 70569 Stuttgart, Germany摘要：碟片激光器的發(fā)展與激光二極管的技術是密不可分的。這種激光器碟片的厚度范圍大致在50-300rm，這主要取決于材料吸收系數和泵浦次數。對于TDL 的高效運行

2、，沉積在碟片前后表面的高性能光學薄膜必不可少的，其中的一類是 后表面上的高精細度HR膜層，它決定著激光器和泵浦的性能；另一類則是前表 面上的低損耗抗反射膜層，它能夠使激光輻射（近）垂直入射傳輸，同時使泵浦 斜入射傳輸。該TDL的膜層系統(tǒng)，尤其是HR膜層，除了要滿足光學特性，還 必須遵循特定的機械和熱力學要求。Hannover激光中心已經研發(fā)出一種簇沉積工具用于TDL系統(tǒng)的膜層沉積。這 種簇沉積工具包括三個部分，第1個腔是基板負載鎖定系統(tǒng)，它用于基板的檢查 及腔內的預處理和后處理，第2個腔用于對采用離子束濺射（IBS）的低損耗電 介質膜層的沉積，第3個腔用于對可以作為反射層或者焊接的金屬層進行沉

3、積。 其中，電介質沉積腔配備有射頻離子源，用于單一材料或材料混合物的沉積。這 樣的話，它可以將離散的高低疊陣膜層或者是Rugate濾光器膜層沉積。整個過 程由一個光學寬帶監(jiān)控器（BBM）控制，而且，還設有基于基板彎曲的腔內實 時應力測量系統(tǒng)，它可以對材料的機械應力進行評估。關鍵詞：膜層沉積，碟片激光器，Rugate濾光器，膜層應力，金屬引言高功率碟片激光器已經用于材料加工和許多其他方面的應用1-5。這種系統(tǒng)所 采用的泵浦源是激光二極管，泵浦光波長在近紅外光譜范圍內。碟片激光器（TDL）的理念中采用的是厚度為50-300rm的激光激活碟片，這個理念不僅可 以延用到更高的激光器輸出功率，而且同時還

4、可以提供非常好的輸出光束質量。 對于連續(xù)波（CW）應用系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)，在目前使用或者研究的激光激活材料 中，最突出的是Yb：YAG，它在940nm光泵浦下的基本波長是1030 nm。TDL的關 鍵組成部分是碟片模塊元件，它包含鍍在激光激活材料一側的低損耗抗反射（AR）膜層，和另一側的高反射（HR）膜層，兩者都作用于出射波長和泵浦波 長。在激光器運行時，激光束垂直入射到碟片的端面上，泵浦光則通常是在多路 徑約束下斜入射到激光材料（圖1）。一個典型的TDL中，碟片模塊被集成到諧 振腔內部，同時，它后表面的高反射率系統(tǒng)構成一個端鏡。再考慮到散熱的問題， HR系統(tǒng)本身就必須要和散熱器接觸，因此，不管是

5、通過焊接還是膠粘，都必須 對散熱器的接觸進行熱優(yōu)化處理。Pumping lightLaser lightAR coatingLaser active Pumping lightLaser lightAR coatingLaser active materialHR-coatin圖1：包含激光激活材料，膜層和光束路徑的DISKMODUL元件的示意圖DISKMODUL元件的生產是相當困難的。首先要選擇無缺陷和高效率的激光 材料，其拋光表面必須有電介質系統(tǒng)和/或電介質-金屬系統(tǒng)膜層。其次，整個生 產周期必須是穩(wěn)定的，可重復和可靠的。然后，這些膜層除了必須具備非常好的 光學特性，還要能承受較高的熱負載

6、和激光的最高功率。最后，由于基板比較薄， 還必須考慮到膜層應力之類的機械影響，而且所采用的解決方案最好是面向應用 的。通常，生產過程中采用的是標準鍍膜方法，譬如IAD（離子輔助鍍膜），APS （高級等離子體源），或者IBS （離子束濺射）來沉積電介質膜層。電介質膜層 沉積之后，在HR膜層系統(tǒng)，通常會改變靶材來沉積金屬鏡膜層或者是用于焊接 的金屬膜層。由于這道工序決定著整個激光器系統(tǒng)的質量，所以雜質的混入勢必 會產生十分嚴重影響。就TDL組建的要求而言，以上沒有一種沉積系統(tǒng)滿足要 求。令人欣慰的是，不久前Hannover激光中心已經發(fā)明了一種新型沉積工具， 它可以保證整個鍍膜工藝在一個穩(wěn)定的環(huán)境

7、中進行，并計劃在Innonet項目DISKMODUL6的框架中實現這個方案。DISKMODUL簇沉積工具DISKMODUL元件對于產品優(yōu)化一LZH，其理念主要將生產任務分為三個部 分：1.通過一個負載鎖定系統(tǒng)將激光碟片基板引入真空系統(tǒng)，還能夠對激光碟 片基板的腔內檢測，腔內預處理和后處理。2.該系統(tǒng)應該為紫外，可見光和近紅 外光譜范圍內的應用提供高密度，低損耗電介質膜層的沉積。鍍膜過程應當允許 離散的標準疊陣膜層系統(tǒng)，混合材料疊陣膜層以及像Rugate濾光器的漸變折射 率膜層的沉積。3.最后，為了達到反射和焊接的目的而不對其它任務造成不良影 響，沉積工具應當提供一種腔內的金屬鍍膜。簇沉積工具是

8、一個三腔的裝置（圖 2）。1腔，負載鎖定腔，為腔內缺陷檢查提供顯微鏡工具，而且檢查過程是在一 個暗場照明環(huán)境里完成的。另外，在電介質膜層沉積之前或之后，負載鎖定腔還 可以對基板進行熱循環(huán)處理。這個負載鎖定腔通過一個閥與2腔，即電介質膜層 沉積腔相連，最后，可以利用機械手系統(tǒng)將樣品轉移至2腔。2腔，“電介質腔” 采用離子束濺射（IBS）技術進行膜層沉積。利用一種有三格提取系統(tǒng)的RF離 子源產生離子束（RM/UNI-傳輸，GieBen，德國），濺射工藝可以用氬氣和氙氣 完成，對于利用活性氧氣的沉積工藝則是采用金屬作為靶材。腔內的真空環(huán)境是 由一個兩級泵系統(tǒng)來實現的，它包含一個無油渦旋泵和渦輪分子泵

9、，當然維持電 介質腔的真空條件，還必須要有相應的維護措施。工作時，腔內的基礎氣壓在 1 -2. 10-6mbar范圍之間，膜層沉積過程中的氣壓則在10-4mbar左右，膜層典型的沉積速率在0.05 -0.3nm/s之間。金屬靶材被設置成一個槳狀的裝置（圖3），這可以允許多達四種的不同材料沉積。而且，該靶材不僅可以以兩種材料被濺射的方 式暴露于離子束中，還可以形成氧化物進行鍍膜。這樣的話，任何材料的折射率， 只要在被濺射金屬氧化物的兩折射率之間就都能夠沉積。3 - Coating chamber for metal lization1. Load-LockchamberSample tfians

10、fersystem3 - Coating chamber for metal lization1. Load-LockchamberSample tfiansfersystemSample transfer system2. Chamber for dielectric deposition圖2： LZH DISKMODUL簇沉積腔上視示意圖3腔，為金屬層的濺射沉積提供牽引直流。通常所采用的金屬材料是金，銅和 鎳，而膜層厚度的控制則采用石英來平衡。在金屬鏡膜層沉積的時候，不需要加 熱基板。而且，就像腔1和腔2之間的傳遞一樣，基板在腔1和腔3之間也可以 進行傳遞，這個過程由一個手動控制的樣品傳輸

11、系統(tǒng)來控制。流程控制采用了先進的實時監(jiān)控工具，即LZH光寬帶監(jiān)控（BBM）系統(tǒng)7。 在沉積過程中，該系統(tǒng)連續(xù)不斷的采集生長層350 1100nm范圍內的光譜。從光 譜上看，可以實時推導出薄膜厚度和材料色散，之后這些數據被用于自動的流程 控制。利用IBS流程的穩(wěn)定性，除了控制膜層沉積的光學特性，還可以控制和選 擇膜層生長的時間。機械控制采用的是可編程邏輯控制器（PLC，SPS）控制軟件。離子束濺射沉 積產生具有較高壓應力的高密度膜層，然而對于碟片基板的沉積，碟片的彎曲可 能導致嚴重的問題。因此需要應力控制儀，它安裝在2腔。采用SIGMA物理學 （SIGMA物理學，Duderstadt德國）提供的

12、腔內應力測量系統(tǒng)測量光束偏轉， 該光束對來自于旋轉曲面上的測試基板。生長層會使機械應力作用到產生表面彎 曲的基板上，表面彎曲最終產生可測量的光束偏轉。該系統(tǒng)被用做評估基于沉積 參數的應力水平。除了單層的應力水平，它還要監(jiān)測“表面彎曲”和來自多層結 構的總應力。圖3：離子束-靶一基板間配置的示意圖。左側是離子源。離子束撞擊到靶板（右）板子 可以旋轉和移位。濺射流被引向旋轉的基板支架。碟片激光器基板的沉積是一個相當復雜的過程，尤其是在金屬化的情況下，對 于電介質層的沉積要采用不同的步驟：分別是，金屬鏡膜層的形成，電介質阻隔層的沉積和最終的可焊接金屬層系統(tǒng)的沉積。圖4給出了典型的金屬碟片激光器 HR

13、膜層鍍膜方案的流程。實驗我們對使用的材料和膜層設計的沉積參數進行了研究和優(yōu)化，其中關鍵參數有 氬氣和氧氣的流量，離子束電壓和離子束電流。在流程數據優(yōu)化的框架中，我們 采用了不同的測量方法：包括分光光度法表征，反射率R和透過率T測量，在 紫外、可見光和近紅外光譜范圍內532nm和1064nm處以熱量方式的吸收，和激光 器損壞閾值的測量，這些都取決于生產流程的條件（1064nm的LIDT）。此外， 我們還采用LZH FAST TS檢查系統(tǒng)對一組沉積膜層進行缺陷檢查，檢查結果中 的腔衰蕩光譜用于確定總的鏡面膜層損耗。通常情況下，腔內缺陷檢測數據和腔 外暗場研究是相關聯的。在后續(xù)的漸變折射率膜層沉積這

14、個問題上，我們還對 IBM系統(tǒng)的不同材料組合進行了幾次校準運行和評估。標準的沉積工藝條件見 表1。表1：金屬氧化物膜層沉積的主要工藝參數基礎氣壓1 - 2 -10-6 mbar靶材料Ta， Si， Hf， Al沉積條件氬氣1-5sccm氧氣10-30sccm離子束電流80 - 180mA離子束電壓1400- 1800V運行中氣壓2 一 8 -10-4 mbar典型沉積速率Ta O0.15 nmjsSiO0.22 nmfsHfO0.05 nmi sAlO0.09 nms結果4.1膜層設計結果碟片激光器膜層鏡面的合成設計必須遵從光學和機械性能，同樣還要滿足這些膜層系統(tǒng)的熱傳導條件。圖5總結了四種實

15、現簇沉積工具的設計例子。這些設計 驗證了 IBS系統(tǒng)的多功能性，該系統(tǒng)能夠用于沉積標準的離散疊陣膜層，混合頂 層膜層（折射率下降，上升）的標準疊陣膜層，還有Rugate頂層的標準疊陣膜 層和平滑Rugate膜層。圖5中的每一幅圖都顯示出了相對于整個系統(tǒng)光學厚度 的折射率。除了碟片方面的應用，為實現短脈沖而復雜設計的膜層系統(tǒng)通過簇沉 積系統(tǒng)也能夠實現。圖7給出的是經過處理后的光學膜層的分光光度測量結果。IBS工藝和先進LZH工藝的典型控制處理，實現了計算設計曲線和測量數據高 度地統(tǒng)一。這里還應當提到，BBM系統(tǒng)流程控制并不局限于四分之一波長設計， 它允許幾乎任意的膜層厚度進行精確沉積，除非在所測

16、光譜范圍內該膜層不會引起細微的變化。圖5：在簇沉積工具中沉積的純電介質設計評估。該圖給出了相對于整個系統(tǒng)光學厚度的折射率。圖6：兩個典型的TDL高反率（HR射率。圖6：兩個典型的TDL高反率（HR）膜層的透過率和反射率的光譜。實測曲線（紅）和預 測曲線（黑）相結合。可以看出設計和測量數據高度統(tǒng)一（標準疊陣膜層：左，Rugate系統(tǒng)：右）。圖7：金屬TDL高反率（HR）膜層的透過率和反射率光譜。實測曲線（紅）和預測曲線（黑） 相結合。金屬系統(tǒng)的性能通過反射光譜表示?？梢钥闯鲈O計和測量數據高度統(tǒng)一。4.2應力測量結果得益于腔內應力測量儀，我們可以快速獲知膜層機械應力的表征。如上所述， 在沉積過程中

17、，探測光束對的光束偏轉也可以測量，而光束偏轉又是與機械應力 程度是成比例的，而且該應力的變化由沉積層結構所決定。這樣的話，所用的儀 器實現了工藝參數和應力水平的轉換。圖8給出了 Ta2q和SO28層結構的測量 數據。該圖還給出了相對于沉積時間，探測光束對的偏移量。實現過程中，我們 采用相同的膜層產生了兩組不同的流程參數，期間，由工藝條件改變所產生的機 械應力改變可以通過分別觀察Ta2O層不同的厚度或者傾斜程度來得出。此外，本例還表明如果氧氣含量增加，Ta2氣層的應力會減小?；谒_定的應力水平，可以選出最小化激光碟片基板表面彎曲的工藝條件。D1M&-36 100813 130/1B1 nrn6

18、=iD1M&-36 100813 130/1B1 nrn6=ir -jj1j41 1!PT1圖8：實時應力的測量結果。相比于沉積時間（左）的兩種不同沉積過程的第1-8層探測光束對的偏移量。每一層相應的工藝參數示于右圖中。4.3缺陷檢查利用LZH FAST TS進行缺陷檢查，這個過程在腔內裸基板上沉積過程之前， 和在腔內暗場環(huán)境里的膜層沉積過程之后，同樣也在腔外暗場環(huán)境里的膜層沉積 過程之后。通過基于Coblenz球體一系列裝置的散射測量結果迅速記錄TS數據。 實驗中，在帶有快速定位系統(tǒng)的激光探測光束（波長532m）下移動樣品，然后 繪制出散射數據圖。通過優(yōu)化裝置，它能在幾分鐘之類顯示出幾乎10

19、0%的表面 特征。這種散射法是最靈敏的方法，而且可以顯示幾乎任何膜層，主體或表面的 缺陷。圖9給出了一個鏡面系統(tǒng)的典型測量實例。TS系統(tǒng)根據探測光束的光斑 尺寸進行校準，不同缺陷尺寸等級的信號校準值也在該圖中給出了。圖9圖9：樣品表面總的散射信號。鏡面膜層d101218_2_ts1的快速TS測量結果（基礎值39ppm）左。關于粒子尺寸的評估右。4.4損耗測量結果和LIDT在1064nm處用CRD （彩色反射式密度儀）測量可得，反射值在99.95%以上的 鏡面膜層總損耗在30 - 300ppm水平，其中典型吸收數據處于5 - 50ppm之間，透 光率則在100ppm。在940nm和1030 nm

20、處，對于標準疊陣膜層和漸變折射率AR 膜層，激光碟片的抗反射膜層吸收值在5-30ppm之間。在LZH中，進行激光的穩(wěn)定性測量同時進行納米LIDT（激光損壞閾值）的設 置。根據ISO 1125410，該測量所采用的光斑尺寸為250Rm。在IBS沉積過程 中，LIDT定義的輸出能量密度穩(wěn)定性測量值，對于離散的疊陣膜層系統(tǒng)一般在20-40 J： cm2之間，而Rugate膜層系統(tǒng)則可以達到100 Jcm。以下給處了特定值損壞圖（圖10）。圖中可以看出，它分別給出了 50%和0%的 損壞閾值，該值取決于脈沖數量的。此外，在該圖上，還表明了每個能檢測出損 耗的最低能量密度值，其中，LIDT的值來自相應脈

21、沖數量的損壞圖（插在圖中）。450o 0%-LlDTq 50%-LlDTHe5B.8 由gH W 3 Jem，：- *450o 0%-LlDTq 50%-LlDTHe5B.8 由gH W 3 Jem，：- *He 149.6 J/cm*Hs 308 4 J7:i jA 7.9 J/cm*A 14 B J em7 :-r1-口 First observed damage* 叫11*?| r o*蘭尊 -_旦_ f,aooiiF T T T i rr i1 r t rD101119e-3: Rugate HR1064 High to Low01000400350300250200150100101

22、00number of pulses圖10：簇沉積系統(tǒng)所沉積的HR Rugate膜層系統(tǒng)（1064nm）的特性損壞圖。4.5激光器元件的性能鍍膜流程之后，碟片晶體還要焊接（電介質-金屬系統(tǒng)）或者粘（電介質系統(tǒng)） 到采用沖擊冷卻的散熱器上。目前，為了實現泵浦輻射的高效吸收，在典型的碟 片泵浦裝置中，泵浦光要通過激光晶體24次。不過，基于膜層性能的研究，碟 片泵浦裝置中，泵浦光只允許通過激光晶體16次。然而，Yb:YAG碟片晶體的 典型性能特性表明，對于最大約500W的泵浦功率，激光效率值高于55%，這些 結果來自于連續(xù)多模運行，泵浦波長為940nm，激光器出射波長為1030nm。在連續(xù)運行和適當

23、泵浦功率密度的情形下，帶有DISKMODUL元件的激光器 幾乎和采用其他鍍膜技術（例如：IAD）處理Yb:YAG晶體的激光器看起來完全 相同的。而且，在連續(xù)激光器運行的情形下，所有的測量顯示，不管是在AR還 是在HR面，沉積的膜層都沒有損耗。對于該技術，千瓦級別的測試還在進行中，我們希望能夠看到高功率級別下鍍膜技術對性能會有所不同。圖11我們希望能夠看到高功率級別下鍍膜技術對性能會有所不同。圖11：在最大泵浦功率500W情形下YB:YAG碟片激光器的典型特性曲線。M心 Mod Indlno標m-總結和結論在Hannover激光中心，應用于碟片激光器系統(tǒng)膜層的一種新型沉積系統(tǒng)已經 在研發(fā)，設計和

24、建立。該解決方案包含一個3腔真空系統(tǒng)，而且每個腔都會有單 獨的任務。其中，負載鎖定腔用于基板的引入，表征和預處理。第2個腔用于氧 化物膜層材料的沉積，沉積過程選用了離子束濺射技術，還配置了靶區(qū)域，這允 許多達四種不同膜層材料沉積。多功能鍍膜系統(tǒng)可以生產離散疊陣膜層和Rugate 濾光器或者漸變折率膜層。同時，使用寬帶光監(jiān)測和腔內的應力監(jiān)測系統(tǒng)控制和 優(yōu)化膜層系統(tǒng)。而且還要保證真空條件以獲得一個最穩(wěn)定的沉積環(huán)境。3腔為金 屬膜層的沉積提供直流濺射源，該金屬膜層用做反射鏡或者焊接金屬系統(tǒng)。3個 腔之間移動樣品是銅鼓傳輸模塊可實現的，這可以有效避免破壞真空環(huán)境。整個系統(tǒng)不僅是合格的，而且還優(yōu)化了激光

25、膜層的沉積。沉積過程中的品質參 數是光損耗，最小缺陷水平和高損壞閾值。實驗證明，這種簇沉積工具能夠穩(wěn)定 和可靠地運行。該獨特的系統(tǒng)為高質量光學膜層，金屬反射鏡的沉積，阻隔系統(tǒng)和可焊接金屬 結構提供了一個完整的生產計劃，這是史無前例的。除了碟片激光器膜層，簇沉積工具還能用于標準膜層系統(tǒng)的沉積，半導體元件， 如二極管端面膜層的沉積，以及光學元件的金屬連接系統(tǒng)的沉積。感謝作者十分感謝在InnoNet的項目“Innovative Disklaser-Module”里的合作伙伴。 這里給出的結果是在這個項目內得到的，該項目由德國聯邦經濟和技術部提供經 費支持，合同號為No.16IN0409和No.16I

26、N0410。參考文獻David Havrilla and Marco Holzer, High power disk lasers: advances and applications, Proc.SPIE 7912, 79120F (2011)Alexander Killi, Ivo Zawischa, Dirk Sutter, Jochen Kleinbauer, Sven Schad,肉g Neuhaus andChristian Schmitz, Current status and development trends of disk laser technology, Proc.S

27、PIE 6871, 68710L (2008) HYPERLINK /en/products/solid-state-lasers/disk-lasers/trudisk.html /en/products/solid-state-lasers/disk-lasers/trudisk.htmlMarwan Abdou Ahmed, Matthias Haefner, Moritz Vgel, Christof Pruss, Andreas Voss,Wolfgang Osten, and Thomas Graf, High-power radially polarized Yb:YAG thin-disk laserwith high efficiency, Opt. Express 19, 5093-5103 (2011) HYPERLINK /en/products/solid_state_lasers/disc_lasers/stardisc/ /en/products/solid_state_lasers/disc_lasers/stardisc/In