镧系氧化物疏水自清洁高功率激光薄膜研究

Due to the working fundamental, the cavity mirror in COIL system is inevitably polluted by high speed water drops containing impurities. In practice, traditional cavity mirror deposited by metal oxides exhibits hydrophilic property. Thus, the small water drops expand immediately after arriving at the surface of cavity mirror, and cause a large area of pollution. This phenomenon jeopardizes the endurance and reliability of the cavity mirror in COIL system. To overcome the shortage, a cavity mirror with hydrophobic self-cleaning property is demanded. However, the traditional hydrophobic material and structure cannot be applied in high power laser coating area limited by their own features. Lanthanide oxides were found intrinsic hydrophobic in 2013, which made it possible to build high power laser coating with hydrophobic self-cleaning property. The study on high power lanthanide oxides coating is still left blank. Thus, the research of lanthanide oxide high power laser coating with hydrophobic self-cleaning property has significance on both science and application. Present project proposes to study the EB-IAD deposition technology of lanthanide oxide coating, aims to build high power laser coating with hydrophobic self-cleaning property and enhance the environment adaption of the coating system, and provide the technological support for the development of COIL system.

氧碘化学激光器（COIL）的工作原理使得其谐振腔腔镜不可避免的受到含杂质高速液滴的污染。实际当中，腔镜表面强光薄膜使用的金属氧化物材料表现出亲水性。含杂质的小液滴到达元件表面后迅速铺展，造成大面积的污染，威胁到了元件的使用寿命和可靠性。这对强光光学薄膜提出了新的疏水自清洁特性的要求。传统的疏水自清洁材料和技术因其自身的特点无法应用于高功率激光薄膜领域。2013年，镧系金属氧化物被发现具有本征疏水性，使得具有疏水自清洁功能的高功率激光薄膜成为可能。但是到目前为止，镧系金属氧化物高功率激光薄膜的研究基本处于空白状态。因此，开展镧系金属氧化物疏水自清洁高功率激光薄膜研究具有重要的科学意义和应用价值。本项目提出研究镧系金属氧化物薄膜的电子束蒸发-离子束辅助沉积工艺，发展具有疏水自清洁功能的高功率激光薄膜，提高强光薄膜的服役环境适应性，为我国COIL的发展提供技术支撑。

由于工作机理，氧碘化学激光器激光谐振腔内的腔镜不可避免的面临着高速含杂质的水滴污染。因此，水滴会迅速在光学元件表面铺展，形成大面积污染；污染降低光学元件性能，严重情况下的可导致大面积的烧蚀破坏。氧碘化学激光器需要疏水的强光腔镜。. 本课题首先研究了传统强光薄膜的表面特性，发现随着工艺的不同，传统强光薄膜接触角尽管相差很大，但是基本都是亲水性的，这对于氧碘激光器的运行是不利的。基于Gisele Azimi等人的发现，镧系氧化物存在本征疏水性是应用于苛刻服役环境的有前途材料，我们决定深入研究了CeO2薄膜材料。. 首先，我们使用电子枪蒸发-离子辅助工艺路线，研究了CeO2在该工艺路线下的稳定沉积的工艺条件，掌握了该薄膜透过率、吸收率和亲水性演化的基本规律。我们发现我们采用的电子束蒸发-离子辅助沉积所制备的CeO2薄膜全都具有很大亲水性。我们使用ALD方法尝试沉积的CeO2薄膜却表现出疏水性，并获得了106度的亲水角。其次，们在研究中发现，不论是ALD还是EB-IAD技术进行沉积，CeO2薄膜都很难维持稳定的折射率。也就是说CeO2薄膜的化学计量比很容易发生改变。通过这些研究，我们发现了影响CeO2亲水性的的关键因素——吸附氧。. 随后，我们修改了工艺路线，使用磁控溅射工艺。磁控溅射法生长了具有高透光率、良好的热稳定性以及高机械强度的氧化铈薄膜，并通过真空转移仓实现样品在XPS和疏水角测量之间的惰性气氛或高真空环境转移，排除了暴露大气所带来的表面吸附等不可控影响。实验结果表明，尽管原生的氧化铈薄膜疏水性一般，但经过加热或高真空处理后，疏水性可以得到极大的改善，最大疏水角达到约120度。这些结果显示氧化铈薄膜表面吸附的羟基会极大地抑制其疏水性，为具有本征疏水性表面的光学元器件的设计和研制提供了理论基础和科学依据。.

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