突破！離子束濺射技術制備超低吸收損耗光學薄膜

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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產光學儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產品的開發(fā)和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

摘要

隨著高功率激光系統(tǒng)在引力波探測、慣性約束聚變等前沿領域的廣泛應用，光學薄膜的超低吸收損耗成為制約系統(tǒng)性能的關鍵因素。本文聚焦離子束濺射（IBS）技術在制備超低吸收損耗薄膜中的**突破，系統(tǒng)分析該技術通過工藝參數(shù)優(yōu)化（如離子氧濃度調控、退火處理）實現(xiàn)薄膜致密度提升與缺陷控制的機制，并結合*新研究成果，探討其在高精度光學系統(tǒng)中的應用前景。

引言

在激光技術領域，光學薄膜的吸收損耗直接影響光束質量與系統(tǒng)穩(wěn)定性。傳統(tǒng)電子束蒸發(fā)技術制備的薄膜因存在孔隙率高、缺陷密度大等問題，難以滿足高功率激光系統(tǒng)對吸收損耗低于 10ppm 的嚴苛要求。離子束濺射技術憑借其獨特的物**相沉積機制，通過**控制離子能量與束流參數(shù)，實現(xiàn)了薄膜致密度的顯著提升，為超低吸收損耗薄膜的制備開辟了新路徑。

一、離子束濺射技術原理與優(yōu)勢

離子束濺射技術通過雙離子源系統(tǒng)產生高能離子束轟擊靶材，使靶材原子或分子以較高動能沉積于基底表面。與傳統(tǒng)蒸發(fā)技術相比，其核心優(yōu)勢體現(xiàn)在：

1. 高致密度薄膜：濺射粒子能量可達 10eV 量級，是蒸發(fā)粒子的數(shù)倍，促使粒子在基底表面充分擴散，形成類體材料結構，密度接近理論值。

2. 低缺陷控制：真空環(huán)境（~10??mbar）與超高純度靶材（>99.99%）的結合，有效減少雜質引入；通過調整主離子源電壓與輔助離子源氧流量，可**調控薄膜內部氬氣泡尺寸與分布密度，降低納米級缺陷。

3. 寬材料適應性：適用于金屬、陶瓷、半導體等多種材料，尤其在 HfO?、SiO?等氧化物薄膜制備中表現(xiàn)出優(yōu)異的光學穩(wěn)定性。

二、超低吸收損耗薄膜的制備關鍵

2.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

研究表明，離子氧濃度對薄膜性能具有顯著影響。在 SiO?薄膜制備中，較高的離子氧濃度可補償高能粒子碰撞導致的失氧缺陷，將吸收損耗降至 1.4ppm。而對于 Ta?O?薄膜，需平衡離子氧濃度與束流能量，避免因致密度降低導致折射率偏差。

2.2 退火后處理技術

退火工藝通過熱激活促進薄膜內部結構重組。實驗顯示，HfO?薄膜在 400℃退火時，殘余應力趨近于零，吸收損耗*低至 1ppm；而溫度超過 600℃時，結晶現(xiàn)象導致性能劣化。該技術通過消除亞穩(wěn)態(tài)結構與釋放內應力，實現(xiàn)薄膜綜合性能的優(yōu)化。

2.3 新型材料體系開發(fā)

同濟大學團隊**性引入氫化非晶硅體系，通過離子束濺射結合氫摻雜工藝，使 1064nm 處消光系數(shù)降低 94%，機械損耗減少 92%。這種材料在保持高折射率的同時，顯著抑制了本征吸收，為引力波探測器等精密設備提供了新型解決方案。

三、應用突破與產業(yè)動態(tài)

3.1 高功率激光系統(tǒng)

中國科學院上海光機所研發(fā)的多層高反膜在 1064nm 處反射率 > 99.99%，吸收損耗僅 1.4ppm，已成功應用于激光慣性約束聚變（ICF）裝置，有效解決了熱畸變問題，提升了光束聚焦精度。

3.2 引力波探測技術

氫化非晶硅薄膜的超低機械損耗特性，使其成為引力波探測器懸掛系統(tǒng)的理想材料。通過優(yōu)化氫含量與退火工藝，該薄膜在 1550nm 處的吸收損耗已突破 0.1ppm，為下一代探測器的靈敏度提升奠定了基礎。

3.3 產業(yè)合作與**布局

上海光機所聯(lián)合企業(yè)開發(fā)的 “氬氣泡控制制備技術” 已申請**，通過工藝參數(shù)動態(tài)調整實現(xiàn)薄膜缺陷的精準調控。同時，多家光學元件廠商加速布局離子束濺射產線，推動該技術在光通信、醫(yī)療激光等領域的商業(yè)化應用。

四、挑戰(zhàn)與展望

盡管離子束濺射技術取得重大突破，但其沉積速率較低（約 0.1-1nm/s）與設備成本較高的問題仍需解決。未來研究方向包括：

1. 開發(fā)高速濺射工藝，結合新型靶材設計提升沉積效率；

2. 探索納米復合薄膜體系，通過材料協(xié)同效應進一步降低吸收損耗；

3. 推動智能化工藝控制，實現(xiàn)薄膜性能的全流程精準調控。

結論

離子束濺射技術通過工藝**與材料優(yōu)化，成功突破了超低吸收損耗薄膜的制備瓶頸，為高功率激光系統(tǒng)、精密光學檢測等領域提供了關鍵技術支撐。隨著技術的持續(xù)演進與產業(yè)生態(tài)的完善，該技術有望在更多**制造場景中發(fā)揮重要作用，推動光學薄膜產業(yè)邁向新高度。

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