碟片激光器系统的膜层

1、碟片激光器系统的膜层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：碟片激光器的发展与激光二极管的技术是密不可分的。这种激光器碟片的厚度范围大致在50-300rm，这主要取决于材料吸收系数和泵浦次数。对于TDL 的高效运行

2、，沉积在碟片前后表面的高性能光学薄膜必不可少的，其中的一类是 后表面上的高精细度HR膜层，它决定着激光器和泵浦的性能；另一类则是前表 面上的低损耗抗反射膜层，它能够使激光辐射（近）垂直入射传输，同时使泵浦 斜入射传输。该TDL的膜层系统，尤其是HR膜层，除了要满足光学特性，还 必须遵循特定的机械和热力学要求。Hannover激光中心已经研发出一种簇沉积工具用于TDL系统的膜层沉积。这 种簇沉积工具包括三个部分，第1个腔是基板负载锁定系统，它用于基板的检查 及腔内的预处理和后处理，第2个腔用于对采用离子束溅射（IBS）的低损耗电 介质膜层的沉积，第3个腔用于对可以作为反射层或者焊接的金属层进行沉

3、积。 其中，电介质沉积腔配备有射频离子源，用于单一材料或材料混合物的沉积。这 样的话，它可以将离散的高低叠阵膜层或者是Rugate滤光器膜层沉积。整个过 程由一个光学宽带监控器（BBM）控制，而且，还设有基于基板弯曲的腔内实 时应力测量系统，它可以对材料的机械应力进行评估。关键词：膜层沉积，碟片激光器，Rugate滤光器，膜层应力，金属引言高功率碟片激光器已经用于材料加工和许多其他方面的应用1-5。这种系统所 采用的泵浦源是激光二极管，泵浦光波长在近红外光谱范围内。碟片激光器（TDL）的理念中采用的是厚度为50-300rm的激光激活碟片，这个理念不仅可 以延用到更高的激光器输出功率，而且同时还

4、可以提供非常好的输出光束质量。 对于连续波（CW）应用系统和脉冲系统，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光泵浦下的基本波长是1030 nm。TDL的关 键组成部分是碟片模块元件，它包含镀在激光激活材料一侧的低损耗抗反射（AR）膜层，和另一侧的高反射（HR）膜层，两者都作用于出射波长和泵浦波 长。在激光器运行时，激光束垂直入射到碟片的端面上，泵浦光则通常是在多路 径约束下斜入射到激光材料（图1）。一个典型的TDL中，碟片模块被集成到谐 振腔内部，同时，它后表面的高反射率系统构成一个端镜。再考虑到散热的问题， HR系统本身就必须要和散热器接触，因此，不管是

5、通过焊接还是胶粘，都必须 对散热器的接触进行热优化处理。Pumping lightLaser lightAR coatingLaser active Pumping lightLaser lightAR coatingLaser active materialHR-coatin图1：包含激光激活材料，膜层和光束路径的DISKMODUL元件的示意图DISKMODUL元件的生产是相当困难的。首先要选择无缺陷和高效率的激光 材料，其抛光表面必须有电介质系统和/或电介质-金属系统膜层。其次，整个生 产周期必须是稳定的，可重复和可靠的。然后，这些膜层除了必须具备非常好的 光学特性，还要能承受较高的热负载

6、和激光的最高功率。最后，由于基板比较薄， 还必须考虑到膜层应力之类的机械影响，而且所采用的解决方案最好是面向应用 的。通常，生产过程中采用的是标准镀膜方法，譬如IAD（离子辅助镀膜），APS （高级等离子体源），或者IBS （离子束溅射）来沉积电介质膜层。电介质膜层 沉积之后，在HR膜层系统，通常会改变靶材来沉积金属镜膜层或者是用于焊接 的金属膜层。由于这道工序决定着整个激光器系统的质量，所以杂质的混入势必 会产生十分严重影响。就TDL组建的要求而言，以上没有一种沉积系统满足要 求。令人欣慰的是，不久前Hannover激光中心已经发明了一种新型沉积工具， 它可以保证整个镀膜工艺在一个稳定的环境

7、中进行，并计划在Innonet项目DISKMODUL6的框架中实现这个方案。DISKMODUL簇沉积工具DISKMODUL元件对于产品优化一LZH，其理念主要将生产任务分为三个部 分：1.通过一个负载锁定系统将激光碟片基板引入真空系统，还能够对激光碟 片基板的腔内检测，腔内预处理和后处理。2.该系统应该为紫外，可见光和近红 外光谱范围内的应用提供高密度，低损耗电介质膜层的沉积。镀膜过程应当允许 离散的标准叠阵膜层系统，混合材料叠阵膜层以及像Rugate滤光器的渐变折射 率膜层的沉积。3.最后，为了达到反射和焊接的目的而不对其它任务造成不良影 响，沉积工具应当提供一种腔内的金属镀膜。簇沉积工具是

8、一个三腔的装置（图 2）。1腔，负载锁定腔，为腔内缺陷检查提供显微镜工具，而且检查过程是在一 个暗场照明环境里完成的。另外，在电介质膜层沉积之前或之后，负载锁定腔还 可以对基板进行热循环处理。这个负载锁定腔通过一个阀与2腔，即电介质膜层 沉积腔相连，最后，可以利用机械手系统将样品转移至2腔。2腔，“电介质腔” 采用离子束溅射（IBS）技术进行膜层沉积。利用一种有三格提取系统的RF离 子源产生离子束（RM/UNI-传输，GieBen，德国），溅射工艺可以用氩气和氙气 完成，对于利用活性氧气的沉积工艺则是采用金属作为靶材。腔内的真空环境是 由一个两级泵系统来实现的，它包含一个无油涡旋泵和涡轮分子泵

9、，当然维持电 介质腔的真空条件，还必须要有相应的维护措施。工作时，腔内的基础气压在 1 -2. 10-6mbar范围之间，膜层沉积过程中的气压则在10-4mbar左右，膜层典型的沉积速率在0.05 -0.3nm/s之间。金属靶材被设置成一个桨状的装置（图3），这可以允许多达四种的不同材料沉积。而且，该靶材不仅可以以两种材料被溅射的方 式暴露于离子束中，还可以形成氧化物进行镀膜。这样的话，任何材料的折射率， 只要在被溅射金属氧化物的两折射率之间就都能够沉积。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图2： LZH DISKMODUL簇沉积腔上视示意图3腔，为金属层的溅射沉积提供牵引直流。通常所采用的金属材料是金，铜和 镍，而膜层厚度的控制则采用石英来平衡。在金属镜膜层沉积的时候，不需要加 热基板。而且，就像腔1和腔2之间的传递一样，基板在腔1和腔3之间也可以 进行传递，这个过程由一个手动控制的样品传输

11、系统来控制。流程控制采用了先进的实时监控工具，即LZH光宽带监控（BBM）系统7。 在沉积过程中，该系统连续不断的采集生长层350 1100nm范围内的光谱。从光 谱上看，可以实时推导出薄膜厚度和材料色散，之后这些数据被用于自动的流程 控制。利用IBS流程的稳定性，除了控制膜层沉积的光学特性，还可以控制和选 择膜层生长的时间。机械控制采用的是可编程逻辑控制器（PLC，SPS）控制软件。离子束溅射沉 积产生具有较高压应力的高密度膜层，然而对于碟片基板的沉积，碟片的弯曲可 能导致严重的问题。因此需要应力控制仪，它安装在2腔。采用SIGMA物理学 （SIGMA物理学，Duderstadt德国）提供的

12、腔内应力测量系统测量光束偏转， 该光束对来自于旋转曲面上的测试基板。生长层会使机械应力作用到产生表面弯 曲的基板上，表面弯曲最终产生可测量的光束偏转。该系统被用做评估基于沉积 参数的应力水平。除了单层的应力水平，它还要监测“表面弯曲”和来自多层结 构的总应力。图3：离子束-靶一基板间配置的示意图。左侧是离子源。离子束撞击到靶板（右）板子 可以旋转和移位。溅射流被引向旋转的基板支架。碟片激光器基板的沉积是一个相当复杂的过程，尤其是在金属化的情况下，对 于电介质层的沉积要采用不同的步骤：分别是，金属镜膜层的形成，电介质阻隔层的沉积和最终的可焊接金属层系统的沉积。图4给出了典型的金属碟片激光器 HR

13、膜层镀膜方案的流程。实验我们对使用的材料和膜层设计的沉积参数进行了研究和优化，其中关键参数有 氩气和氧气的流量，离子束电压和离子束电流。在流程数据优化的框架中，我们 采用了不同的测量方法：包括分光光度法表征，反射率R和透过率T测量，在 紫外、可见光和近红外光谱范围内532nm和1064nm处以热量方式的吸收，和激光 器损坏阈值的测量，这些都取决于生产流程的条件（1064nm的LIDT）。此外， 我们还采用LZH FAST TS检查系统对一组沉积膜层进行缺陷检查，检查结果中 的腔衰荡光谱用于确定总的镜面膜层损耗。通常情况下，腔内缺陷检测数据和腔 外暗场研究是相关联的。在后续的渐变折射率膜层沉积这

14、个问题上，我们还对 IBM系统的不同材料组合进行了几次校准运行和评估。标准的沉积工艺条件见 表1。表1：金属氧化物膜层沉积的主要工艺参数基础气压1 - 2 -10-6 mbar靶材料Ta， Si， Hf， Al沉积条件氩气1-5sccm氧气10-30sccm离子束电流80 - 180mA离子束电压1400- 1800V运行中气压2 一 8 -10-4 mbar典型沉积速率Ta O0.15 nmjsSiO0.22 nmfsHfO0.05 nmi sAlO0.09 nms结果4.1膜层设计结果碟片激光器膜层镜面的合成设计必须遵从光学和机械性能，同样还要满足这些膜层系统的热传导条件。图5总结了四种实

15、现簇沉积工具的设计例子。这些设计 验证了 IBS系统的多功能性，该系统能够用于沉积标准的离散叠阵膜层，混合顶 层膜层（折射率下降，上升）的标准叠阵膜层，还有Rugate顶层的标准叠阵膜 层和平滑Rugate膜层。图5中的每一幅图都显示出了相对于整个系统光学厚度 的折射率。除了碟片方面的应用，为实现短脉冲而复杂设计的膜层系统通过簇沉 积系统也能够实现。图7给出的是经过处理后的光学膜层的分光光度测量结果。IBS工艺和先进LZH工艺的典型控制处理，实现了计算设计曲线和测量数据高 度地统一。这里还应当提到，BBM系统流程控制并不局限于四分之一波长设计， 它允许几乎任意的膜层厚度进行精确沉积，除非在所测

16、光谱范围内该膜层不会引起细微的变化。图5：在簇沉积工具中沉积的纯电介质设计评估。该图给出了相对于整个系统光学厚度的折射率。图6：两个典型的TDL高反率（HR射率。图6：两个典型的TDL高反率（HR）膜层的透过率和反射率的光谱。实测曲线（红）和预 测曲线（黑）相结合。可以看出设计和测量数据高度统一（标准叠阵膜层：左，Rugate系统：右）。图7：金属TDL高反率（HR）膜层的透过率和反射率光谱。实测曲线（红）和预测曲线（黑） 相结合。金属系统的性能通过反射光谱表示。可以看出设计和测量数据高度统一。4.2应力测量结果得益于腔内应力测量仪，我们可以快速获知膜层机械应力的表征。如上所述， 在沉积过程中

17、，探测光束对的光束偏转也可以测量，而光束偏转又是与机械应力 程度是成比例的，而且该应力的变化由沉积层结构所决定。这样的话，所用的仪 器实现了工艺参数和应力水平的转换。图8给出了 Ta2q和SO28层结构的测量 数据。该图还给出了相对于沉积时间，探测光束对的偏移量。实现过程中，我们 采用相同的膜层产生了两组不同的流程参数，期间，由工艺条件改变所产生的机 械应力改变可以通过分别观察Ta2O层不同的厚度或者倾斜程度来得出。此外，本例还表明如果氧气含量增加，Ta2气层的应力会减小。基于所确定的应力水平，可以选出最小化激光碟片基板表面弯曲的工艺条件。D1M&-36 100813 130/1B1 nrn6

18、=iD1M&-36 100813 130/1B1 nrn6=ir -jj1j41 1!PT1图8：实时应力的测量结果。相比于沉积时间（左）的两种不同沉积过程的第1-8层探测光束对的偏移量。每一层相应的工艺参数示于右图中。4.3缺陷检查利用LZH FAST TS进行缺陷检查，这个过程在腔内裸基板上沉积过程之前， 和在腔内暗场环境里的膜层沉积过程之后，同样也在腔外暗场环境里的膜层沉积 过程之后。通过基于Coblenz球体一系列装置的散射测量结果迅速记录TS数据。 实验中，在带有快速定位系统的激光探测光束（波长532m）下移动样品，然后 绘制出散射数据图。通过优化装置，它能在几分钟之类显示出几乎10

19、0%的表面 特征。这种散射法是最灵敏的方法，而且可以显示几乎任何膜层，主体或表面的 缺陷。图9给出了一个镜面系统的典型测量实例。TS系统根据探测光束的光斑 尺寸进行校准，不同缺陷尺寸等级的信号校准值也在该图中给出了。图9图9：样品表面总的散射信号。镜面膜层d101218_2_ts1的快速TS测量结果（基础值39ppm）左。关于粒子尺寸的评估右。4.4损耗测量结果和LIDT在1064nm处用CRD （彩色反射式密度仪）测量可得，反射值在99.95%以上的 镜面膜层总损耗在30 - 300ppm水平，其中典型吸收数据处于5 - 50ppm之间，透 光率则在100ppm。在940nm和1030 nm

20、处，对于标准叠阵膜层和渐变折射率AR 膜层，激光碟片的抗反射膜层吸收值在5-30ppm之间。在LZH中，进行激光的稳定性测量同时进行纳米LIDT（激光损坏阈值）的设 置。根据ISO 1125410，该测量所采用的光斑尺寸为250Rm。在IBS沉积过程 中，LIDT定义的输出能量密度稳定性测量值，对于离散的叠阵膜层系统一般在20-40 J： cm2之间，而Rugate膜层系统则可以达到100 Jcm。以下给处了特定值损坏图（图10）。图中可以看出，它分别给出了 50%和0%的 损坏阈值，该值取决于脉冲数量的。此外，在该图上，还表明了每个能检测出损 耗的最低能量密度值，其中，LIDT的值来自相应脉

21、冲数量的损坏图（插在图中）。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*兰尊 -_旦_ f,aooiiF T T T i rr i1 r t rD101119e-3: Rugate HR1064 High to Low01000400350300250200150100101

22、00number of pulses图10：簇沉积系统所沉积的HR Rugate膜层系统（1064nm）的特性损坏图。4.5激光器元件的性能镀膜流程之后，碟片晶体还要焊接（电介质-金属系统）或者粘（电介质系统） 到采用冲击冷却的散热器上。目前，为了实现泵浦辐射的高效吸收，在典型的碟 片泵浦装置中，泵浦光要通过激光晶体24次。不过，基于膜层性能的研究，碟 片泵浦装置中，泵浦光只允许通过激光晶体16次。然而，Yb:YAG碟片晶体的 典型性能特性表明，对于最大约500W的泵浦功率，激光效率值高于55%，这些 结果来自于连续多模运行，泵浦波长为940nm，激光器出射波长为1030nm。在连续运行和适当

23、泵浦功率密度的情形下，带有DISKMODUL元件的激光器 几乎和采用其他镀膜技术（例如：IAD）处理Yb:YAG晶体的激光器看起来完全 相同的。而且，在连续激光器运行的情形下，所有的测量显示，不管是在AR还 是在HR面，沉积的膜层都没有损耗。对于该技术，千瓦级别的测试还在进行中，我们希望能够看到高功率级别下镀膜技术对性能会有所不同。图11我们希望能够看到高功率级别下镀膜技术对性能会有所不同。图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线。M心 Mod Indlno标m-总结和结论在Hannover激光中心，应用于碟片激光器系统膜层的一种新型沉积系统已经 在研发，设计和

24、建立。该解决方案包含一个3腔真空系统，而且每个腔都会有单 独的任务。其中，负载锁定腔用于基板的引入，表征和预处理。第2个腔用于氧 化物膜层材料的沉积，沉积过程选用了离子束溅射技术，还配置了靶区域，这允 许多达四种不同膜层材料沉积。多功能镀膜系统可以生产离散叠阵膜层和Rugate 滤光器或者渐变折率膜层。同时，使用宽带光监测和腔内的应力监测系统控制和 优化膜层系统。而且还要保证真空条件以获得一个最稳定的沉积环境。3腔为金 属膜层的沉积提供直流溅射源，该金属膜层用做反射镜或者焊接金属系统。3个 腔之间移动样品是铜鼓传输模块可实现的，这可以有效避免破坏真空环境。整个系统不仅是合格的，而且还优化了激光

25、膜层的沉积。沉积过程中的品质参 数是光损耗，最小缺陷水平和高损坏阈值。实验证明，这种簇沉积工具能够稳定 和可靠地运行。该独特的系统为高质量光学膜层，金属反射镜的沉积，阻隔系统和可焊接金属 结构提供了一个完整的生产计划，这是史无前例的。除了碟片激光器膜层，簇沉积工具还能用于标准膜层系统的沉积，半导体元件， 如二极管端面膜层的沉积，以及光学元件的金属连接系统的沉积。感谢作者十分感谢在InnoNet的项目“Innovative Disklaser-Module”里的合作伙伴。 这里给出的结果是在这个项目内得到的，该项目由德国联邦经济和技术部提供经 费支持，合同号为No.16IN0409和No.16I

26、N0410。参考文献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