Pagrindinis šio darbo tikslas - eksperimentiškai ir teoriškai išnagrinėti fundamentinius bei technologinius veiksnius, apribojančius dielektrinių dangų optinį atsparumą pasikartojantiems femtosekundinės trukmės lazerio impulsams. Specialiai šiems tyrimams atlikti buvo sukurta automatizuota eksperimentinė įranga, kuri pagreitino pažeidimo slenksčio matavimus ir minimizavo žmogiškąjį faktorių. Darbo metu eksperimentiškai buvo tiriamos tiek vienasluoksnės TiO2, tiek ir didelio atspindžio koeficiento daugiasluoksnės ZrO2/SiO2, HfO2/SiO2, Ta2O5/SiO2 bei TiO2/SiO2 dangos, padengtos skirtingais būdais. Pirmą kartą eksperimentiškai pademonstruota, kad dėl daugiafotonės sugerties įtakos dielektrinių dangų pažeidimo slenkstis, tolydžiai keičiant femtosekundinių impulsų bangos ilgį, kinta šuoliškai. Kartu pademonstruotos ir teorinės šio rezultato prielaidos. Eksperimentiškai pademonstruota, kad didelio atspindžio koeficiento dangose stovinčiosios elektromagnetinės bangos pūpsnius „perstūmus“ į žemesnio lūžio rodiklio sluoksnius padidėja optinis atsparumas ir femtosekundinei lazerinei spinduliuotei. Taip pat eksperimentiškai buvo nustatyti įvairių dangų, dengtų jonapluoščio dulkinimo, elektronpluoščio nusodinimo su papildomu jonų tankinimu ir be jo technologijomis, pažeidimo slenksčiai įvairios trukmės ir įvairių bangos ilgių femtosekundiniams impulsams. Teoriškai išnagrinėtas vadinamojo S-į-1 pažeidimo tikimybės matavimo atvejis, kai lazerinės spinduliuotės erdviniai ir energetiniai... [toliau žr. visą tekstą] / The present Ph.D. thesis is the experimental and theoretical analysis of the femtosecond laser pulse induced damage processes in thin film dielectric coatings. Experimental investigations were performed by automated metrological facility designed for S-on-1 laser-induced damage threshold measurements. Femtosecond repetitive pulses (1 kHz) either at fixed 800 nm and 400 nm wavelengths or continuously tunable in 590 nm to 750 nm spectral range were used. The sensitivity of assembled metrological facility was sufficient to determine the influence of various deposition factors (process parameters and coating materials) on LIDT of optical coatings. Our experimental investigations on multi-layer ZrO2/SiO2, HfO2/SiO2, Ta2O5/SiO2, TiO2/SiO2 high reflection coatings and single-layer TiO2 have yielded several important results. To summarize: stepwise change of LIDT values was experimentally observed at the wavelength where two-photon absorption changes to three-photon absorption. This confirms that multiphoton absorption is one of the main damage mechanisms in femtosecond range. The multilayer coatings deposited by IAD and e-beam techniques on substrates having roughness of 0.64 nm or smaller showed similar LIDT values. Moreover, it was also confirmed that suppressing of standing wave electric field intensity at the outer layers of high refractive index improves the optical resistance of high reflectivity coatings also for femtosecond pulses. Furthermore, the model of the... [to full text]

The present Ph.D. thesis is the experimental and theoretical analysis of the femtosecond laser pulse induced damage processes in thin film dielectric coatings. Experimental investigations were performed by automated metrological facility designed for S-on-1 laser-induced damage threshold measurements. Femtosecond repetitive pulses (1 kHz) either at fixed 800 nm and 400 nm wavelengths or continuously tunable in 590 nm to 750 nm spectral range were used. The sensitivity of assembled metrological facility was sufficient to determine the influence of various deposition factors (process parameters and coating materials) on LIDT of optical coatings. Our experimental investigations on multi-layer ZrO2/SiO2, HfO2/SiO2, Ta2O5/SiO2, TiO2/SiO2 high reflection coatings and single-layer TiO2 have yielded several important results. To summarize: stepwise change of LIDT values was experimentally observed at the wavelength where two-photon absorption changes to three-photon absorption. This confirms that multiphoton absorption is one of the main damage mechanisms in femtosecond range. The multilayer coatings deposited by IAD and e-beam techniques on substrates having roughness of 0.64 nm or smaller showed similar LIDT values. Moreover, it was also confirmed that suppressing of standing wave electric field intensity at the outer layers of high refractive index improves the optical resistance of high reflectivity coatings also for femtosecond pulses. Furthermore, the model of the... [to full text] / Pagrindinis šio darbo tikslas - eksperimentiškai ir teoriškai išnagrinėti fundamentinius bei technologinius veiksnius, apribojančius dielektrinių dangų optinį atsparumą pasikartojantiems femtosekundinės trukmės lazerio impulsams. Specialiai šiems tyrimams atlikti buvo sukurta automatizuota eksperimentinė įranga, kuri pagreitino pažeidimo slenksčio matavimus ir minimizavo žmogiškąjį faktorių. Darbo metu eksperimentiškai buvo tiriamos tiek vienasluoksnės TiO2, tiek ir didelio atspindžio koeficiento daugiasluoksnės ZrO2/SiO2, HfO2/SiO2, Ta2O5/SiO2 bei TiO2/SiO2 dangos, padengtos skirtingais būdais. Pirmą kartą eksperimentiškai pademonstruota, kad dėl daugiafotonės sugerties įtakos dielektrinių dangų pažeidimo slenkstis, tolydžiai keičiant femtosekundinių impulsų bangos ilgį, kinta šuoliškai. Kartu pademonstruotos ir teorinės šio rezultato prielaidos. Eksperimentiškai pademonstruota, kad didelio atspindžio koeficiento dangose stovinčiosios elektromagnetinės bangos pūpsnius „perstūmus“ į žemesnio lūžio rodiklio sluoksnius padidėja optinis atsparumas ir femtosekundinei lazerinei spinduliuotei. Taip pat eksperimentiškai buvo nustatyti įvairių dangų, dengtų jonapluoščio dulkinimo, elektronpluoščio nusodinimo su papildomu jonų tankinimu ir be jo technologijomis, pažeidimo slenksčiai įvairios trukmės ir įvairių bangos ilgių femtosekundiniams impulsams. Teoriškai išnagrinėtas vadinamojo S-į-1 pažeidimo tikimybės matavimo atvejis, kai lazerinės spinduliuotės erdviniai ir energetiniai... [toliau žr. visą tekstą]

Ce mémoire présente les efforts effectués pour réduire l'angle de perte de couches de pentoxyde de tantale amorphes telles qu'utilisées pour les miroirs de LIGO. Afin d'améliorer le niveau de relaxation des couches, celles-ci ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron à des températures allant de 50 °C à 480 °C, elles ont subi un recuit thermique rapide, elles ont été implantées par des ions d'oxygène, elles ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron en appliquant une tension de polarisation sur le substrat lors du dépôt allant de 0 V à -450 V et elles ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance dans le cadre de différentes expériences. L'angle de perte, l'épaisseur, la rugosité, l'indice de réfraction, la composition atomique, la contrainte, l'état de relaxation et le module de Young des couches ont par la suite été trouvés à l'aide de l'ellipsométrie spectralement résolue, la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford, la détection des reculs élastiques, la spectroscopie Raman, la diffraction de rayons X et la nano-indentation. Il a été trouvé que la température de dépôt améliorait légèrement le degré de relaxation des couches jusqu'à 250 °C, mais qu'elle avait peu d'impact après recuit. Aussi, lors de dépôt à température de la pièce, une forte tension de polarisation réduit l'angle de perte, mais cet effet est encore une fois perdu suite au recuit. Les autres méthodes mentionnées ci-dessus n'ont pas influencé le degré de relaxation des couches selon l'angle de perte, la spectroscopie Raman et la diffraction de rayons X. Cette recherche a été réalisée avec le support financier du CRSNG et du FRQNT (numéro de dossier 206976). / This master's thesis presents the experiments made to reduce the loss angle of tantala coatings similar to those used in LIGO. To improve the relxation level of the coatings they were deposited by magnetron sputtering at temperatures varying from 50 °C to 480 °C. They were also subjected to rapid thermal annealing, and oxygen implantation. In another experiment, the coatings were deposited by magnetron sputtering with substrate biasing varying from 0 V to -450 V at room temperature and at 250 °C. Finally, the coatings of tantala were deposited by high power impulse magnetron sputtering. The loss angle, thickness, roughness, refractive index, atomic composition, stress, the relaxation state and Young's modulus of the coatings were characterized using spectroscopic ellipsometry, Rutherford backscattering, elastic recoil detection, Raman spectroscopy, X-ray diffraction and nanoindentation. It was found that the deposition temperature improved the loss angle until it reached 250 °C. However, annealing the coatings had a superior impact and the influence of the deposition temperature was not visible after annealing. When was applied a high bias to the susbtrate at room temperature, the obtained coating was slightly more relaxed than when a low bias was applied but this effect is, once again, insignificant after annealing. The other methods of deposition mentioned did not improve the loss angle or modify the relaxation state found by Raman spectroscopy and X-ray diffraction of the tantala coatings. This research was made with the financial support of the NSERC and of the FRQNT (file number 206976).