光学膜层的激光预处理过程研究

重点研究了激光造成的膜层轻微损伤的微观结构和光学性质,分析了膜层表面质量、激光强度和照射次数对膜层表面变化的影响,以此为依据指导激光预处理方法来提高光学元件损伤阈值.就激光损伤机理而言,不管是雪崩离化机制还是多光子吸收机制,都直接或间接地与光学膜层的微观杂质、缺陷有关,预处理过程就是有效消除使膜层产生严重损坏的因素,即消除杂质和缺陷的过程,所以,预处理过程同时也是一个使膜层产生微损伤的过程.工作研究了几种sol-gel膜、PVD膜在预处理前后膜层表面的变化(损伤形貌),损伤阈值的增幅,发现最大不损伤能流值越高的膜层,其预处理效果更好.预处理过程膜层的安全性(减低预处理对膜层的破坏程度)、膜层的预处理效果与两种因素有关,即膜层的内在质量(与膜层缺陷无关的质量)和预处理的激光能量参数(包括初始能量、能量增量、频率等).本身缺陷或杂质较少(或小),阈值较高的膜层,预处理过程中激光能量可以大跨度增加(3～4次激光辐照),且预处理产生的损伤较小.激光对膜层的清洗作用是预处理过程的主要机制,采用水蒸汽凝结法对比水气在预处理膜层上的凝结和蒸发速度,证明其表面对水的接触角明显降低,既洁净度提高,但这不是大幅度提高损伤阈值的主要因素.对于缺陷和杂质较多的膜层(如多层反射膜),即使严格控制激光预处理条件,预处理过程中会不可避免地产生不同程度的微损伤,大部分微损伤点的位置与原始的缺陷和杂质点相吻合,由于这些缺陷是降低膜层整体损伤阈值的主要原因,所以,预处理效果明显(最高阈值增加达2倍),通过增加预处理过程中的能量分段,可降低微损伤的程度,提高其在工作能流下的稳定性,达到预处理的目的.(OH8)     

激光对光学薄膜损伤的热冲击效应

计算了薄膜在高功率脉冲激光作用下截面温度场和应力场分布。分析了热冲击在光学薄膜激光损伤中的作用，并用调Ｑ１．０６μｍ脉冲激光对ＺｒＯ２单层膜损伤，讨论了不同激光强度下薄膜截面温度场与应力场分布，揭示了热冲击在ＺｒＯ２单层膜损伤中的机理和过程。     

三种不同后处理方式对ZrO2薄膜性能的影响

采用有氧热处理、激光预处理和离子后处理三种方式对电子束蒸发(EBE)制备的单层ZrO2薄膜进行了后处理,并分别对样品的光学性能和抗激光损伤阈值(LIDT)特性进行了研究.实验结果表明,热处理方式可以有效排除膜层内吸附的水气,弥补薄膜制备过程中的氧损失,使得光谱短移、吸收减小、损伤阈值增高;激光预处理过程可以在一定程度上减少缺陷、提高损伤阂值,但对膜层的光谱和吸收情况没有明显的改善作用;而离子后处理能够提高膜层的堆积密度、减少缺陷、降低吸收从而提高损伤阚值.由于三种方式处理机制不同,在实际应用中应根据膜层的性能选择合适的处理方式.     

原子层沉积薄膜之激光损伤性能分析

采用目前尚在国内鲜有报道的原子层沉积技术在熔石英和BK7玻璃基片上镀制了TiO2单层膜、AlO3单层膜以及TiO2/Al2O3增透膜,沉积温度在110℃和280℃.利用X射线粉末衍射仪对膜层微观结构进行了分析研究,并在激光损伤平台上进行了抗激光损伤阈值的测量.采用Nomarski微分干涉差显微镜和原子力显微镜对激光损伤...     

10.6μm激光对钛、锆光学薄膜的损伤

本文报道了1.06μm 激光对TiO_2、ZrO_2和Ti_3O_5的单层膜和多层膜的损伤阈值和损伤形貌.研究了损伤阈值与膜厚、缺陷和保护膜之间的关系.     

混合频率激光干扰CCD探测器的仿真研究

激光辐照CCD图像探测器时可造成对探测器的干扰和破坏,为了增强激光对CCD探测器的损伤效果,提出了一种混合频率激光干扰方法,这种方法是将高重频激光和低重频激光耦合,使其同时作用于CCD探测器.基于热传导和热弹性力学的基本关系式建立了混合频率激光辐照CCD探测器遮光铝膜层的热力耦合数学物理模型,对热传导方程和应力平衡方程进行半解析求解,计算得到不同工作模式的激光辐照CCD探测器的遮光铝膜层的瞬态温度场和热应力场,并通过数值仿真定量地比较了不同工作模式激光光源对CCD的损伤效果.结果表明:相对于高重频激光和低重频激光单独作用探测器的情况,混合频率激光将会对CCD产生更加严重的损伤效应.     

飞秒激光作用下薄膜的阈值损伤到膜层剥落

在飞秒单脉冲激光损伤HfO_2/SiO_2薄膜样品实验中,随着激光能量密度升高,膜层从缺陷导致的点损伤发展到整层剥落,损伤区域轮廓由模糊变清晰.研究表明,尺度在纳米量级的颗粒缺陷会产生局部的场增强效应,该效应与薄膜干涉场叠加,造成了阈值损伤阶段损伤区域出现大量损伤点,且由于飞秒激光对包括缺陷在内的薄膜材料的本征损伤特性,使其损伤行为较为确定,随着激光能量的提升,薄膜出现更大面积的规则烧蚀区,此时干涉场的作用上升到主导地位,膜层的整层剥落行为掩盖了缺陷的诱导作用.     

连续激光作用下滤光片熔坑形成机理研究

在532nm波长连续激光辐照ZnS/SiO2/K9 630～690nm多层膜滤光片的损伤实验的电镜扫描分析下观察到了"熔坑"的现象,根据这个现象建立了含有Pt杂质的532nm波长连续激光辐照ZnS/SiO2/K9 630～690nm多层膜滤光片的热损伤模型.结合温度场的计算,研究了532nm连续激光辐照630～690nm多层薄膜滤光片时杂质周围产生的温升效应,通过对计算结果与实验结果的比较,分析了杂质对滤光片薄膜激光损伤的影响.分析了连续激光作用下杂质对滤光片的破坏机制,解释了滤光片熔坑产生的原因.     

脉冲激光对石英基底Ta2O5/SiO2滤光膜的损伤效应研究

随着高能激光系统的发展,对光学薄膜抵抗激光损伤能力的要求越来越高,而激光脉宽是脉冲激光对薄膜损伤行为的重要影响因素。针对Ta₂O₅/SiO₂多层膜,基于1-on-1测试方法,分析其在飞秒、皮秒、纳秒激光作用下的损伤特性。测得800 nm飞秒激光作用下的损伤阈值为1.67 J/cm₂;532 nm和1 064 nm皮秒激光作用下的损伤阈值分别为1.08 J/cm²和1.98 J/cm²;532 nm和1 064 nm纳秒激光作用下的损伤阈值分别为9.39 J/cm₂和21.57 J/cm₂,并使用金相显微镜观察了滤光膜的损伤形貌。实验结果表明：飞秒激光对滤光膜的损伤机理主要是多光子电离效应,而皮秒和纳秒激光对滤光膜的损伤机制主要是热效应。滤光膜在飞秒激光作用下的损伤阈值与皮秒激光作用下的损伤阈值相当,纳秒激光作用下的损伤阈值要高一个数量级,透射通带外损伤阈值约为通带内损伤阈值的2倍。     

光学薄膜激光损伤的波长效应

本文报道了采用三种波长的单横模脉冲激光对ZrO_2、TiO_2和Ti_3O_5的单层膜和多层膜的激光损伤阈值和损伤形貌。研究了损伤阈值与波长的关系。     

高强度激光对光学薄膜的破坏

在薄膜破坏中起主要作用的是个别的脉冲尖峰。分析了薄膜结构对薄膜受破坏的影响,以及SiO_2保护膜在提高ZrO_2/SiO_2膜的抗激光强度中的作用。     

用于激光薄膜的保护膜

利用 SiO_2作为激光薄膜的保护膜,可以提高抗激光强度1～3倍,从等离子体闪光和薄膜缺陷破坏两个方面给出了解释。     

重复激光脉冲作用下薄膜损伤演化规律研究

为了深入研究重复激光脉冲的能量效应对光学薄膜的烧蚀机理,采用实验观测与热力学分析相结合的方法进行了研究。通过观察光学薄膜烧蚀形貌随入射激光脉冲数量增加发生改变的典型形貌特征,分析了激光与等离子体相互作用的热力学过程,得到了在激光重复脉冲作用下光学薄膜的损伤特性及其演化规律。结果表明,薄膜在重复脉冲作用下,其表面会变得粗糙,这会大大增加对激光的吸收效应,从而加速了薄膜的破坏,最终被完全去除而露出基底;同时,烧蚀物会在热膨胀作用下向激光作用区域外扩散,在激光烧蚀中心区域外进行沉积,而形成更大范围的污染。由于激光光强为高斯分布,重复脉冲作用的效应主要是对在光束中心区域的薄膜进行集中烧蚀,会不断增加烧蚀的损伤程度,而对烧蚀面积的增加效应极为有限。这一研究结果为重复激光脉冲对薄膜烧蚀机理的建立提供了参考。     

S-on-1测量方式下薄膜激光损伤的累积效应

为了研究薄膜激光损伤机理及影响因素,基于平顶光束辐照测量的原理,采用1064nm的Nd:YAG激光器,对电子束热蒸发方式镀制的HfO₂薄膜在重复频率激光作用下损伤的累积效应进行了理论分析和实验验证。运用损伤阈值的测量原理,分析了1-on-1和S-on-1两种测量方式的特点,并分别开展了测量实验。采用二分法查找辐照激光能量,每个能量密度辐照20个测试点,应用零几率损伤阈值和最小二乘法拟合确定测量结果。结果表明,对同种薄膜,1-on-1测量方式测得的损伤阈值为15.75J/cm2,S-on-1测量方式测得的损伤阈值为11.90J/cm2;从损伤阈值与损伤形貌两方面的对比表明,S-on-1测量方式体现了典型的累积效应。此结果对深入研究薄膜激光损伤的机理和影响因素具有重要意义。     

高重复频率DPL 激光对光学薄膜元件损伤实验研究

光学薄膜的高重频激光损伤特性一直是激光薄膜研究者的重点。为了分析光学薄膜在高重频激光辐照下的损伤特性,探究其损伤机理,文中从实验出发,研究了重复频率10 kHz DPL 激光对光学薄膜元件的损伤特性。结果表明,修正膜层内的驻波场分布,降低膜层内高折射材料中的驻波场峰值可以提高高重频激光损伤阈值;从激光损伤形貌与辐照激光功率的关系上看,在高重频激光辐照下光学薄膜元件的损伤实质上是热效应和场效应共同作用下产生的微损伤累积放大所造成的。当薄膜吸收率较小时,损伤主要表现为场效应所致的微损伤累积放大,当薄膜吸收率较大时,损伤主要表现为热效应所致的微损伤累积放大。     

光电子封装中新型激光焊接吸收薄膜的设计

设计了一种用于对SiO2、Si和LiNbO3等材料进行激光焊接的吸收薄膜。这种“金属-介质-金属”的三层吸收薄膜减少了夹在透明母料之间的焊料表面对Nd：YAG激光束的反射。该设计使激光能量在实验中的实际吸收率超过99％。这种吸收膜与焊料层的结合使激光能更有效地转化为热能,减少了激光穿透母料的能量,这样也就减少了因为激光的透射而导致母料损伤的可能性,使激光能量得到更有效的利用。同时,焊接成品的力学性能也得到了有效提高。     

激光处理GaN薄膜的研究

通过激光损伤实验,报道了GaN薄膜10.6μm CO2激光的损伤阈值是64 J/cm2;为了改善GaN薄膜质量,对其进行了10.6μm CO2激光辐照处理,结果表明,处理后GaN薄膜的缺陷密度明显降低.并对机理进行了分析.     

表面杂质和节瘤缺陷诱导薄膜元件热熔融损伤

在高功率激光系统中,光学薄膜元件表面杂质和体内节瘤缺陷是导致薄膜元件损伤的关键因素。通过建立强激光连续辐照下光学薄膜元件的热分析模型,分析在不同激光辐照时间和功率密度下,表面杂质和节瘤缺陷对光学薄膜元件损伤的影响及其规律。结果表明,在强激光连续辐照下,当表面杂质粒子尺寸处于一定范围内时,随着杂质粒子尺寸的增大,薄膜元件上的最高温度随之升高,且大而浅的节瘤缺陷种子对膜层的温升影响较大。随着激光功率密度的提高和激光辐照时间的增长,表面杂质造成薄膜元件热熔融损伤的粒子尺寸范围越大,节瘤缺陷造成薄膜元件热熔融损伤的种子深度和尺寸范围也越大。     

532nm激光对光学薄膜的损伤

本文报导了532nm激光对光学薄膜的激光损伤和多脉冲损伤的积累效应,研究了激光预辐照对光学薄膜损伤阈值的影响.     

激光脉宽对光学薄膜元件热损伤的影响

纳秒量级及以下脉宽激光致光学薄膜元件的损伤研究持续了几十年,但纳秒量级以上脉宽却很少提及。因此,针对10 ns~1 ms量级区间不同脉宽激光辐照光学薄膜元件产生的热损伤进行了研究,计算了高反膜、增透膜和干涉滤光片三种典型光学薄膜元件的温度场分布,并分析了其激光热损伤特性。结果表明,对于长脉宽激光,热扩散深度大,薄膜损伤的电场效应被削弱,热传导效应在损伤中占据主导地位,损伤可至基底;短脉宽激光损伤对薄膜内部的电场分布更为敏感,损伤发生在温度最高值附近的膜层区域。进而开展了10 ns与1 ms脉宽激光致光学薄膜元件的损伤实验,损伤阈值及形貌特征与温度场计算结果显示的热损伤特性相符。