撰稿人 |Haes Lin

论文题目 | 用于高功率激光应用的衬底雕刻抗反射纳米结构表面

Substrate-engraved antireflective nanostructured surfaces for high-power laser applications

作者 | Nathan J. Ray, Jae-Hyuck Yoo, Hoang T. Nguyen, Michael A. Johnson, Selim Elhadj, Salmaan H. Baxamusa, and Eyal Feigenbaum

完成单位| 劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

论文概述

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室Eyal Feigenbaum教授团队提出了一种利用超表面结构层增强高功率激光系统光学元件抗反射性能的新方法，并于2020年5月12日以“Substrate-engraved antireflective nanostructured surfaces for high-power laser applications（用于高功率激光应用的衬底雕刻抗反射纳米结构表面）”为题，发表在国际光学权威期刊Optica。

文章介绍了利用微纳米工艺制备随机抗反射超表面结构，对比参考基底材料，超表面结构在351nm和1053nm高功率激光表面损伤阈值测试结果与参考基底非常接近（1053nm：参考基底材料81J/cm2，超表面结构74J/cm2；351nm：参考基底材料47J/cm2，超表面结构30J/cm2）。该工作为拓展高功率激光器在X射线源、可再生能源和光-物质相互作用探测等应用提供了新的方法。

研究背景

高功率激光系统在可再生能源、定向能源、光-物质相互作以及特殊辐射源等方面的影响日益增加，例如显微镜和医用X射线源、无损检测和医用中-质子源，以及光刻电子发射源等。目前几乎所有高功率激光系统的关键部件，特别是易受激光损伤的光学元件表面都有抗反射涂层，其在提高高功率激光系统整体效率的同时降低杂散光，在安全、最大化能量输出强度方面起着至关重要的作用。然而，由多层电介质和溶胶-凝胶组成的传统抗反射涂层具有固有的局限性，限制了其应用范围。多层电介质涂层虽然环境稳定，但由于制造设计中的多种材料界面，导致其激光损伤阈值较低。

为了避免传统抗反射涂层的缺点，近些年一种借助于表面制造技术的微纳米结构作为抗反射涂层的方法取得了一系列新进展。这些表面被定义为具有光学特性的功能结构表面，其光学特性由单元结构而非组成材料决定。单元结构可用于修改不同的材料特性，例如折射率、热机械性能或电性能等。由亚波长元件构成的光学纳米结构表面是目前微纳光学器件研究的重点，通过探索超表面结构空间调制特性，可以对平面光学、聚焦透镜等光学元件性能的改进产生颠覆性影响。

技术突破

根据Bruggeman’s联合公式，研究人员设计了用于多层平面的熔融石英材料结构（见图1（a）和（b）），通过填充因子近似表示该层的有效折射率。填充因子指数将随基质和空隙体积的混合比而变化，变化率取决于特性高度。基于该纳米几何结构的传输矩阵计算结果如图1（c）和1（d）所示。通过控制纳米结构特征高度和侧壁倾斜度，可以设计具有指定特征波段的抗反射结构。

图1 超表面结构设计及仿真结果：（a）和（b）分别表示模型侧视图和俯视图，倾斜函数（SF）和周期（Λ），填充因子由结构特征相对于基底表面积的面积分数给出，其中A表示投射到基底的特征表面积；结构参数是在不同深度指数分级情况下结构反射率最小的关键，（c）垂直侧壁SF=0，（b）SF=1。

纳米结构损伤通常会导致器件微米级区域出现特征退化，局部反射率相对于初始值会有增加。然而，由于这些无特征区域的尺寸有限，全孔径传输受到的影响相对较小。必须注意的是，连续的激光照射到先前损伤区域不会导致损伤增长，通过早期的损伤阈值表征结果表明，由于纳米结构损伤程度不会增长，因此在这种损伤发生后，光学器件具有更高的局部损伤阈值。在产生良性（非生长）纳米结构损伤之后，光学元件可以承受不断增加的能量输入，直到达到下一个激光损伤机制。

图2 样品激光损失实验结果：（a）纳米结构表面损伤形貌SEM表征；（b）和（c）351nm激光损伤试验结果；（d）和（e）1053nm激光损伤试验结果。

图3 纳米结构静态鲁棒性实验结果：使用半径为200μm的标准尖端加载（a）351nm结构和（b）1053nm结构，负载范围为50 mN至50 N。

观点评述

超表面结构的引入对传统光学元件性能的提成带来了新的方向，目前超表面结构在光学成像、传输、通信、探测等领域均实现了良好的应用价值，未来的发展前景客观。比如本文中高功率激光器抗损伤减反射超表面结构的设计及应用，这些纳米结构表面显示出巨大的潜力，可以有效地扩展高功率激光的应用领域，同时这类超表面结构材料具有优异的机械和光学性能，并在调整光学传输方面具有高度的灵活性，大大减轻了高功率激光系统中光学处理的负担，为应用于极端条件下的光学系统开发和研制提供了新的方式方法。