上海光機所在水吸附與電子束高反膜性能的相互作用研究中取得新進展(圖文)

發布者：眺望科技                     發布日期：2020-03-25

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室研究團隊在水吸附與電子束高反膜性能的相互作用研究方面取得新進展。采用致密的頂層保護層延長電子束薄膜的吸水飽和過程，對電子束薄膜的性能不穩定性機理進行了深入的研究，并基于等效介質理論和有限元分析方法，提出了適用于多數多孔薄膜的水蒸氣透過率計算模型。相關成果發表在《固體薄膜》（Thin Solid Films）。

 

電子束沉積的大口徑多層高反射膜是大型激光設備的關鍵部件，控制著激光從放大器組件到終端光學組件的傳輸。由于其多孔結構特性，電子束薄膜的各項性能對環境濕度非常敏感：水分子的吸附/解吸導致電子束薄膜性能不穩定，甚至會降低整個激光系統的性能和穩定性。在鍍膜過程中的最后放氣階段，薄膜的吸水過程太過迅速，對電子束薄膜的水蒸氣透過率測量及水分子與薄膜的相互作用機理研究造成極大的困難。

  

研究人員采用致密的等離子體輔助沉積的覆蓋層將電子束薄膜的上表面隔離，水分子只能通過膜的側壁傳輸，大大延緩了電子束薄膜的吸水飽和過程，這使得電子束薄膜的水蒸氣透過率測量成為可能。研究結果表明：電子束薄膜中的水分傳輸可分為填充、穩定、基質膨脹和再填充四個步驟；應力和傅里葉變換紅外分析表明水的大量吸附將導致薄膜應力在初期往壓應力方向發展，而水解反應、基質膨脹和薄膜中的水向冰/類冰結構演化將造成應力由壓應力向張應力方向轉化發展。借助致密的覆蓋層，提出了一種基于等效介質理論和有限元分析方法的電子束薄膜的水蒸氣透過率計算模型。

 

該項研究解析了電子束薄膜的濕致失穩機理，為提高電子束薄膜的性能穩定性提供了理論和實驗基礎，有助于提升大型激光系統的可靠性和穩定性。

 

相關工作得到了國家青年拔尖人才專項計劃、國家自然科學基金委、中國科學院青年創新促進會基金、上海市青年拔尖人才項目、中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。（薄膜光學實驗室供稿）

圖1 (a)致密層的應力和光譜時效演化。(b)M1(無致密保護層)和M2(有致密保護層)多層高反膜的峰值反射率處的波長時效演化。(c)M2中HfO2、SiO2層折射率（1064nm處）的時效演化。(d)圖(c)中部分區域的坐標放大圖，背景色塊表示四個連續的水傳輸步驟。

圖2 B2樣品的紅外吸收光譜在不同時效時間時的分峰

圖3 (a)B1、B2雙層膜和(b)M1、M2多層膜的應力隨時效時間演化。

圖4 (a)有致密覆蓋層時膜系中的水分子傳輸示意圖。(b)M2中HfO2、SiO2薄膜的水汽傳輸速率隨時效時間變化。插圖顯示了前20天的數據。