一种微纳结构激光窗口及其制备方法

1.本发明涉及一种具有高透过高阈值抗激光损伤性能的亚波长尺度微纳结构激光窗口的制备方法，属于微纳加工技术领域。


背景技术：

2.大功率激光驱动器的发展与激光惯性约束核聚变的研究是自上世纪七十年代以来强激光领域能够体现国家重大需求的重要热点，世界各国都开展了关于高能激光系统的研究。近红外波段的激光器在科研教学、激光医疗、工业加工、军事航天等领域具有重要的用途和广泛的应用前景。激光增透窗激光系统中必不可少的元器件之一。由于大功率激光系统中激光束的能量密度很大，激光增透窗口在强激光辐照下往往会出现表面损伤，激光损伤在一定程度上会降低透过率；激光增透窗口表面损伤一旦出现，会影响其表面质量，激光辐照在损伤点上会在损伤区域造成光强分布的不均匀，从而再次损坏激光元件。激光元件在强激光辐照下产生的损伤严重影响到自身使用寿命，是目前抑制大功率激光系统长时间安全稳定运行的一个主要因素。
3.目前的激光增透窗口主要是基于薄膜干涉理论的光学薄膜系统，然而薄膜元件的激光损伤阈值要远低于裸露基底，随着高功率激光技术的进一步发展，对光学元件的抗损伤性能和环境耐受性提出了越来越高的要求，薄膜元件越来越难以满足。基于此，本发明提出了利用微纳结构增透激光窗口。微纳结构增透窗口是指在基底材料表面通过刻蚀等方法制备远小于激光波长的微纳结构，激光在这种窗口表面无法识别微纳结构，可以近似于入射到一层薄膜。根据等效介质理论可知，通过调节微结构的占空比，就可以调节这层薄膜的有效折射系数，满足折射系数匹配，进而降低表面反射率，增强窗口的透射效果。由于微纳结构窗口是通过对基底本身材料刻蚀制备的，不引入其他材料，这种单一材料体系一方面能够提供近似体相材料的抗激光损伤阈值，有效提高激光窗口的抗损伤性能，另一方面可以有效避免薄膜材料与基底之间由强光辐射引起的热不匹配性，提高其稳定性。
4.

技术实现要素：
基于此我们提出利用胶体球自组装技术结合反应离子刻蚀技术在石英基底上制备微纳结构作为激光窗口，该激光窗口具有透过率高、增透波段宽、增透角度范围大抗激光损伤性能强等性质，同时这种方法操作简单，成本低，可大面积制备，能够满足大口径强激光的发展需求。
5.本发明提出的一种具有高透过高阈值抗激光损伤性能的微纳结构激光窗口的制备方法，具体步骤如下：
6.1、超声清洗石英玻璃基底；
7.2、利用胶体球自组装技术制备聚苯乙烯单层膜掩膜；
8.3、利用反应离子刻蚀技术刻蚀石英基底；
9.4、利用有机溶剂去除未完全反应的聚苯乙烯微球；
10.5、微纳结构激光窗口的结构形貌与性能表征。
11.上述方法中，步骤1中提到的清洗石英玻璃基底包括以下几个步骤；
12.依次将石英玻璃基底浸没在丙酮、氯仿、乙醇、去离子水中超声清洗，功率40-60w，时间为3-10min。三种化学试剂的极性由小到大，充分去除石英玻璃基底表面的污染物。清洗后的石英玻璃基底浸没在去离子水中，待用。
13.步骤2中利用胶体球自组装技术制备聚苯乙烯单层膜掩膜，具体步骤如下：
14.(1)配置浓度为1％-20％的体积比为1：1-1：5的粒径为300nm-3000nm的单分散的聚苯乙烯微球的水-乙醇混合液，然后将其置于功率40-100w的超声清洗器中进行超声，时间为10-60min,使混合液混合均匀；
15.(2)在玻璃培养皿中加入去离子水，将石英基底浸没在其中，利用微量注射泵抽取体积为100ul-2ml的超声后的单分散聚苯乙烯微球的混合液，将其匀速注入到玻璃培养皿中的去离子水表面，控制注入速度为0.1-2ml/h,直至整个液面布满聚苯乙烯微球；
16.(3)利用u形管缓慢将玻璃培养皿中的去离子水导出，聚苯乙烯单层膜随着液面下降而下降，直至其降至石英基底表面，将石英基底取出，室温下干燥，待用。
17.步骤3中利用反应离子刻蚀技术刻蚀石英基底，具体步骤如下：将带有聚苯乙烯微球单层膜的石英基底放入反应离子刻蚀机的腔体内，抽真空，设置反应条件。刻蚀气体为氧气(o2)和三氟甲烷(chf3)气体，气体流量为o2:5-50sccm，chf3:20-50sccm，刻蚀射频功率(rf)为30-200w，电感耦合功率(icp)为0-100w，腔体压力(p)为10-30mtorr,刻蚀时间为10-100min。刻蚀结束后，破真空，取出石英基底。
18.步骤4中利用有机溶剂去除未完全反应的聚苯乙烯微球，具体步骤如下：
19.将反应离子刻蚀后的石英基底依次浸没在四氢呋喃、无水乙醇、去离子水中，超声清洗，超声功率为40-200w，超声时间5-10min,超声清洗结束后将石英基底取出，利用氮气将其吹干。
20.步骤5中微纳结构激光窗口的结构形貌与性能表征，具体步骤如下：
21.利用扫描隧道电子显微镜对微结构激光窗口的形貌进行表征，测量其透过率，并利用高功率激光对其进行辐射，检测其抗激光损伤性能。
22.本发明制备的微纳结构激光窗口和现有的激光窗口相比，具有以下优势：
23.(1)该方法制备的微纳结构激光窗口抗激光损伤性能强，由于微结构窗口是通过对基底本身材料刻蚀制备的，不引入其他材料，这种单一材料体系一方面能够提供近似基底材料本征的抗激光损伤阈值，有效提高激光窗口的抗损伤性能，另一方面可以有效避免薄膜材料与基底之间由强光辐射引起的热不匹配性，提高其稳定性。微纳结构激光窗口的抗激光损伤阈值可以接近基底材料的本征阈值。
24.(2)该方法制备的微纳结构激光窗口增透波段宽，增透角度大，透射性质可调控。
25.(3)该方法成本较低，操作简单，可以大面积制备，能够满足大口径强激光的发展需求。
附图说明
26.图1为本发明所述的微纳结构石英激光窗口的制备流程图，其中a图为聚苯乙烯微球的自组装示意图，b图为反应离子刻蚀石英基底示意图，(1)是去离子水液面，(2)微量注射器，(3)聚苯乙烯微球(4)氧气等离子体，(5)三氟甲烷等离子体，(6)石英微纳结构。
27.图2中a图为聚苯乙烯微球自组装的实际过程，b为直径为600nm的ps微球单层膜的
平面sem图。
28.图3为石英基底上微纳结构的切面sem图。
29.图4中a图为空白基底与单面具有微纳结构的石英基底的实际透射率与计算得到的剩余反射率。b图为单面具有微纳结构的石英基底的不同角度的透射率。
30.图5为微纳结构激光窗口在1030nm波长激光辐射下表面温度与辐射的激光功率密度关系图。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明主要是利用胶体球刻蚀技术以及反应离子刻蚀技术制备微纳结构激光窗口，该方法制备的激光窗口透过率高，增透波段宽，抗激光损伤性能强，并且方法简单，可以大面积制备，能够满足大口径强激光的发展需求。
32.实施例1：
33.如图1-5所示；
34.利用胶体球自组装技术制备聚苯乙烯微球单层膜。配置浓度为10％的体积比为1：1的粒径为600nm的单分散的聚苯乙烯微球的水-乙醇溶液，然后将其置于功率100w的超声清洗器中进行超声，时间为30min,使溶液充分混合均匀。
35.接着将超声清洗好的石英玻璃基底浸没在去离子水中，利用微量注射器抽取超声好的聚苯乙烯微球单分散液，并将其装在微量注射泵上，利用微量注射泵将聚苯乙烯微球的单分散液匀速注入到该去离子水表面，控制注入速度为1ml/min，控制微量注射泵针尖与去离子水液面形成半月板，以减小聚苯乙烯微球的单分散液垂直方向的运动，防止聚苯乙烯微球沉入水面，直至去离子水液面铺满聚苯乙烯微球，停止注入；
36.接着，利用u形管将去离子水导出，u形管内注满去离子水，一端插入玻璃培养皿内部，一端连接空烧杯，使玻璃培养皿内液面始终高于烧杯内液面，根据连通器原理玻璃培养皿内的液面持续下降，漂浮在液面上的聚苯乙烯微球单层膜也随之下降。当液面降至玻璃石英基底下使，聚苯乙烯微球单层膜吸附到玻璃石英基底上，将基底缓慢取出，室温下干燥，就得到了带有聚苯乙烯微球带层膜的石英玻璃基底。利用sem表征石英基底的聚苯乙烯微球，可以看到聚苯乙烯微球形成了大面积有序的单层膜。
37.利用反应离子刻蚀技术刻蚀带有聚苯乙烯微球带层膜的石英玻璃基底。
38.利用反应离子刻蚀技术对带有聚苯乙烯小球的石英基底进行刻蚀。
39.将带有聚苯乙烯小球的石英基底装入反应离子刻蚀机中，抽真空后冲入chf3和o2气体，在射频电源辉光放电下，气体被电离成等离子体，与聚苯乙烯微球和石英基底反应，最终在石英基底表面刻蚀出微纳结构。气体流量为chf3：50sccm，o2:5sccm，rf功率为100w,icp功率为100w，腔体压力为10mtorr,刻蚀时间为20min。刻蚀结束后破真空，取出石英基底就得到带有微纳结构的石英激光窗口。
40.对微纳结构激光窗口的结构形貌及性质进行表征。刻蚀后的微纳结构的石英激光窗口利用四氢呋喃清洗去除未完全反应的聚苯乙烯微球后，利用sem表征石英微纳结构，微纳结构的高度约为550nm，宽度约为600nm。接着测试微纳结构石英激光窗口的透过率，在
1000-1600nm波段范围内，单面带有微纳结构的石英玻璃的透过率在96％左右，在1315nm波长下其透过率为96.2％，计算其剩余反射约为0.4％，测量不同入射角的透过率可以看见入射角在0
°‑
40
°
内变化时，1315nm波长下的透射率无明显变化，均保持在96％以上，说明这种微结构窗口具有宽角度增透效果。接着对微纳结构激光窗口进行强激光辐射实验，检验其抗激光损伤性能。利用波长为1030nm的连续激光器，光斑直径为3mm,辐射微纳结构激光窗口，透过微纳结构激光窗口的激光利用功率计接受并记录实际功率，功率从14.5w逐渐升至500w,辐射后的微纳结构激光窗口表面形貌未发生任何变化。利用凸透镜聚焦，将激光光斑直径减小到0.5mm，继续辐射微纳结构激光窗口，同时利用热像仪记录窗口表面升温情况，可以看到随着功率密度的上升，微结构窗口的温度上升近似线性变化，功率密度每上升1kw/cm2，温度升高0.1℃，说明该微结构窗口抗强激光辐射性能良好。
41.该方法制备的微纳结构激光窗口透过率高，投射波段宽，透射角度大，抗激光损伤性能强，并且能够实现大面积制备，透射率波段可调控，性能稳定，能够满足大口径高功率激光器的发展需求。