1064 nm激光高反膜残余应力及其形变分析

摘要

目的由于光学薄膜自身的残余应力,致使镀膜前后基底面型变化较大。针对这一问题,本文制备单层膜和激光高反膜,明确单层膜应力机制,以此研究不同膜系高反膜的应力情况及其面型变化,通过增加压应力补偿层减小面型变化,为制备微变型激光高反镜提供方法。方法从理论上分析单层膜残余应力机制,采用等效参考温度的方法代替光学薄膜本征应力的效果,通过仿真方法得到薄膜的本征应力。使用有限元分析和试验方法研究激光高反膜的残余应力情况。以单层膜试验为依据,使用等效参考温度、生死单元和载荷步技术,仿真分析多层膜–基系统的残余应力分布及其面型变化。采用电子束热蒸发技术制备不同的高反膜,通过Zygo激光干涉仪测试其镀膜前后的面型,分析基底初始面型、膜料和膜系对高反镜面型的影响。结果仿真发现,多层膜–基系统残余应力呈现层状分布,从基底到膜层由拉应力变为压应力,再由压应力变为拉应力。在残余应力作用下,整个多层膜–基系统呈凹形,位移呈环状分布。对于TiO_(2)/SiO_(2)组合,通过分析对比不同膜系下对应每一层膜层的残余应力及其对整体面型的影响,发现膜系G│(HL)^(10)H2L│A比G│(HL)^(10)H│A面型的变化更小。试验发现,通过增加压应力补偿层使得高反膜的残余应力减小,高反镜(熔石英基底,ϕ30 mm×2 mm)的面型基本没有变化(ΔPV=0.004λ),这与仿真结果一致。结论熔石英基底上TiO_(2)、HfO_(2)、H4和SiO_(2)的本征应力在残余应力中起主导作用,TiO_(2)、HfO_(2)和H4一般表现为拉应力,SiO_(2)表现为压应力。不同膜料组合的高反膜体系均表现为压应力。膜系G│(HL)^(10)H2L│A比G│(HL)^(10)H│A残余应力和面型变化更小,其残余应力为-39.70 MPa,比不加补偿层减小了22.26 MPa,面型基本没有变化。当加2L应力补偿层时,在满足光谱特性的基础上可以平衡多层膜整体残余应力。