近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部研究團隊在基于氧化鉭的混合物薄膜研究方面取得進展。相關研究成果以“Optical and femtosecond laser-induced damage-related properties of Ta2O5-based oxide mixtures”為題發表于《合金與化合物學報》(Journal of Alloys and Compounds)。
 

　　飛秒激光在激光精細加工、生物醫學、非線性光學成像、高功率激光等多個領域均有廣泛的應用。光學薄膜在飛秒激光系統中有重要的作用，然而其承受高強度飛秒激光脈沖的能力會受到激光誘導損傷閾值(LIDT)的限制。在超快時間尺度，薄膜的LIDT與材料帶隙具有極大關聯，高折射率材料與低折射率材料的混合可以調節其帶隙。因此有必要研究不同的混合材料對薄膜光學性能以及與激光誘導損傷閾值相關性能的影響。
 

　　研究人員通過等離子體輔助電子束共蒸發沉積了四種基于Ta2O5的混合物薄膜，包括Ta2O5-TiO2、Ta2O5-HfO2、Ta2O5-Al2O3和Ta2O5-SiO2，并與Ta2O5單層膜進行了比較。研究了薄膜的化學成分、微觀結構、光學和飛秒激光 誘導損傷閾值(LIDT)特性。對于不同的混合材料，當混合物薄膜的折射率接近時，飛秒激光誘導損傷閾值表現出相當大的差異。實驗結果表明，與其他混合物薄膜相比，Ta2O5-HfO2混合物薄膜具有更大的光學帶隙和更高的飛秒LIDT。Ta2O5-HfO2混合物涂層的1-on-1 LIDT約為1032.3mJ/cm2(170fs)，比Ta2O5單層膜的LIDT高25%。該項目考察了混合對于薄膜宏觀性能的影響，為后續的薄膜研發提供材料選擇。
 

　　相關工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院青年創新促進會等的支持。
 

　　圖1 氧化鉭薄膜以及四種混合物薄膜的(a)透射率光譜；(b)折射率；(c)吸收以及(d)帶隙對比。

 

　　圖2 (a)在S-on-1(S=1，3，5，7，9)LIDT測試模式下，激光誘導損傷面積與激光能量密度的關系圖；(b) 氧化鉭薄膜以及四種混合物薄膜的激光誘導損傷閾值與激光脈沖數量的關系圖。