近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室趙元安研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道了利用折射率連續(xù)調(diào)控技術(shù)制備具有折射率連續(xù)變化和納米棒結(jié)構(gòu)的“無(wú)界面”超寬帶增透膜。相關(guān)成果發(fā)表在Optical Materials。 

　　帶寬和激光誘導(dǎo)損傷閾值是影響光學(xué)系統(tǒng)中寬帶增透膜性能的關(guān)鍵因素。在各種光學(xué)系統(tǒng)中，為了抑制由激光窗口、系統(tǒng)透鏡、光柵或碎片產(chǎn)生的外部反射或散射光所產(chǎn)生的空間噪聲，這些光學(xué)系統(tǒng)通常采用大量的增透膜，增加了相應(yīng)的成本和復(fù)雜性。同時(shí)，薄膜材料與襯底之間激光損傷閾值的差異會(huì)進(jìn)一步增加激光系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此，開(kāi)發(fā)具有寬光譜增透和高激光損傷閾值的低成本高性能增透薄膜對(duì)于提高光學(xué)系統(tǒng)的性能和降低成本具有重要意義。 

　　目前，廣泛使用的寬帶增透膜包括兩種類(lèi)型:由高、低折射率薄膜組成的系統(tǒng)，以及具有理想折射率和光學(xué)厚度的單層增透膜。然而相應(yīng)的帶寬受限于材料折射率和膜系，很難實(shí)現(xiàn)超寬帶范圍內(nèi)減反射效果。傾斜沉積作為一種先進(jìn)有效的方法，將傳統(tǒng)的真空沉積方法與可控襯底旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，用于制備具有特殊納米結(jié)構(gòu)和可變折射率的薄膜。在膜層傾斜沉積的情況下，通過(guò)精確調(diào)控孔隙率，可以實(shí)現(xiàn)空氣和近材料本征折射率范圍內(nèi)的任意折射率，為超寬帶減反射薄膜的研制提供很大的靈活性。但是，研究人員在利用傾斜沉積技術(shù)設(shè)計(jì)薄膜系統(tǒng)時(shí)主要還是考慮折射率的不連續(xù)變化，這在理論上與傳統(tǒng)的多層增透膜疊加類(lèi)似。一方面，增透膜中界面的存在限制了增透膜的帶寬。另一方面，它會(huì)增加界面缺陷的概率，增強(qiáng)膜層的內(nèi)部電場(chǎng)。這兩個(gè)因素都會(huì)降低薄膜的激光損傷閾值。 

　　針對(duì)這一難題，課題組根據(jù)有效介質(zhì)理論和菲涅耳反射公式，設(shè)計(jì)了一種折射率從襯底到空氣連續(xù)變化的“無(wú)界面”超寬帶AR膜。利用傾斜沉積技術(shù)精確控制沉積角的變化率實(shí)現(xiàn)了折射率的連續(xù)調(diào)控，制備出了折射率連續(xù)變化且具有納米棒結(jié)構(gòu)的超寬帶增透膜，并分析了該膜層的剩余反射率和激光損傷閾值等性能，還與傳統(tǒng)工藝制備的的單波長(zhǎng)增透膜進(jìn)行了比較。由于薄膜內(nèi)部的折射率連續(xù)變化，該超寬帶增透膜在整個(gè)石英襯底200 - 2500nm透射波段的剩余反射率小于1%。同時(shí)，由于薄膜內(nèi)“無(wú)界面”和松散的納米棒結(jié)構(gòu)，薄膜具有良好的散熱和應(yīng)力釋放能力，界面效應(yīng)顯著降低。因此，它在抗激光損傷方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。超寬帶增透膜在1064 nm和532 nm處的損傷閾值分別為22.5 J/cm²和22.6 J/cm²，分別比傳統(tǒng)電子束蒸發(fā)工藝制備的532 nm AR膜的激光損傷閾值高約50%，比1064 AR膜的激光損傷閾值高約20%。超寬帶增透膜具有優(yōu)異的光譜性能和抗損傷性，降低了光學(xué)系統(tǒng)的成本和損耗，提高了傾斜沉積膜在高功率激光系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。 

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圖1.折射率連續(xù)變化的超寬帶增透膜原理和實(shí)驗(yàn)圖