单层SiO2物理膜与化学膜激光损伤机理的对比研究

采用离子束溅射沉积技术和溶胶-凝胶技术在K9基片上镀制了厚度相近的SiO₂单层介质膜，用表面热透镜技术对两类膜层分别进行了热吸收及实时动态热畸变实验测试，结合散射光阈值测试及实验前后膜层的显微观测，对相同基底、相同膜层材料而采用不同方法镀制的光学膜层，发现化学膜的强激光损伤阈值远高于相应物理膜；从热力学响应及膜层特性差异的角度揭示了化学膜层的强激光损伤阈值远高于相应物理膜层的微观机理，即物理膜具有高吸收下的致密膜层快传导的基底热冲击效应，而化学膜则有低吸收下的疏松空隙填充慢传导的延缓效应，大量的实验数据及现象都证实了这一结论. 关键词： 强激光辐照损伤 损伤形貌 热冲击 热吸收     

物理法和化学法制备的单层ZrO2膜的激光损伤行为差异

 分别采用电子束热蒸发技术和溶胶-凝胶技术在K9基片上镀制了光学厚度相近的ZrO₂单层薄膜,测试了两类薄膜的激光损伤阈值。分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、孔隙率、微观表面形貌、激光辐照前薄膜的杂质和缺陷状况以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：两类薄膜的不同损伤形貌与薄膜的热吸收与微观结构有关， 物理法制备的ZrO₂膜结构致密紧凑，膜层的杂质和缺陷多；化学法制备的ZrO₂膜结构疏松多孔，膜层纯净杂质少，激光损伤阈值达26.9 J/cm²；因物理法制备的ZrO₂膜拥有更大的热吸收(115.10×10^-6)和更小的孔隙率(0.20)，其激光损伤阈值较小(18.8 J/cm²)，损伤主要为溅射和应力破坏，而化学法制备的ZrO₂膜的损伤主要为剥层。理论上对实验结果进行了解释。     

HfO_2单层膜的吸收和激光损伤阈值测试

薄膜吸收是降低膜层激光损伤阈值的重要原因,为了研究薄膜吸收对激光损伤阈值的影响,对HfO2单层膜在1 064 nm处的吸收及其在不同波长激光辐照下的损伤阈值进行了测试和分析。研究结果表明:薄膜的激光损伤阈值由薄膜吸收平均值(决定于薄膜中缺陷的种类和数量)和吸收均匀性(决定于薄膜中缺陷的分布)共同决定;根据HfO2单层膜在1064 nm波长处的吸收值,不但可以定性判断薄膜在1 064 nm波长,而且还可以判断在其它波长激光辐照下的抗激光损伤能力。     

PECVD技术制备单层光学薄膜抗激光损伤特性研究

采用PECVD技术在BK7玻璃基底上沉积了不同厚度的单层SiO2（折射率为1.46）和SiNx（折射率为1.84）光学薄膜,并对这2种膜层进行抗激光损伤阈值（LIDT）测试,分析讨论了PECVD技术制备的单层光学薄膜与抗激光损伤特性之间的关系。实验结果表明:PECVD技术制备的单层SiO2薄膜有较高的LIDT,薄膜光学厚度在o/4~o/2之间时,在光学厚度为350 nm时,LIDT有最小值21.7 J/cm2,光学厚度为433 nm时,LIDT有最大值27.9 J/cm2。SiNx薄膜的LIDT随着光学厚度增加而减小,在光学厚度为o/4时,LIDT有最大值29.3 J/cm2,光学厚度为o/2时,LIDT有最小值4.9 J/cm2。     

MgF2晶体的激光损伤与加固研究

报道了ＭｇＦ２晶体１．０６μｍ激光损伤阈值和损伤形貌。研究了用ＣＯ２、ＸｅＣｌ和Ｃｕ蒸气三种不同的激光对ＭｇＦ２进行激光预辐照加固和酸腐蚀加固。结果表明，Ｃｕ蒸气激光加固效果最佳，蕨是酸腐蚀和ＸｅＣｌ激光预辐照，并对加固机理进行了分析。     

光学膜层激光预处理过程研究

 光学元件经过激光预处理后，其抗激光破坏能力最大提高2倍以上，系统研究激光预处理机理和工艺，能安全可靠地提高光学元件损伤阈值，提升高功率激光系统的能量密度。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）以及损伤阈值的增幅，发现预处理过程膜层仍然发生了一定程度的轻微损伤，这种损伤和膜层本身缺陷、激光参数密切相关，预处理过程可逐步消除膜层缺陷。     

光学膜层激光预处理过程研究

光学元件经过激光预处理后,其抗激光破坏能力最大提高2倍以上,系统研究激光预处理机理和工艺,能安全可靠地提高光学元件损伤阈值,提升高功率激光系统的能量密度。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）以及损伤阈值的增幅,发现预处理过程膜层仍然发生了一定程度的轻微损伤,这种损伤和膜层本身缺陷、激光参数密切相关,预处理过程可逐步消除膜层缺陷。     

溶胶-凝胶SiO2酸性膜与碱性膜的激光损伤行为

 采用溶胶-凝胶技术分别在K9基片上镀制了光学厚度相近的单层SiO₂酸性膜和碱性膜。测试了两类薄膜的激光损伤阈值;分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜、扫描电镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、孔隙率、微观表面形貌、激光辐照前薄膜的杂质和缺陷状况以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：相对于碱性膜,酸性膜有更大的热吸收和更小的孔隙率,因此其激光损伤阈值较小;两类薄膜不同的损伤形貌与薄膜的热吸收系数与微观结构有关。     

聚乙二醇对溶胶-凝胶SiO2增透膜激光损伤行为的影响

采用溶胶-凝胶工艺制备了聚乙二醇（PEG）改性SiO2单层增透膜,用输出波长1.06 μm,脉宽3 ns的调Q激光系统产生的强激光进行辐照实验。观察了添加PEG前后的膜层的微结构、表面形貌以及激光损伤行为的变化,讨论了PEG对薄膜激光损伤行为产生影响的机制。结果表明：添加的PEG可以修饰、导向溶胶簇团的生长和交联,并使之有序,由此制备的薄膜结构规整,微缺陷减少,这就提高了膜层的激光损伤阈值;在激光辐照过程中,膜料吸收激光能量,膜层温度升高,膜层的PEG分子受热逐步分解挥发,膜层产生损伤。     

聚乙二醇对溶胶-凝胶SiO2增透膜激光损伤行为的影响

 采用溶胶-凝胶工艺制备了聚乙二醇（PEG）改性SiO₂单层增透膜,用输出波长1.06 μm,脉宽3 ns的调Q激光系统产生的强激光进行辐照实验。观察了添加PEG前后的膜层的微结构、表面形貌以及激光损伤行为的变化,讨论了PEG对薄膜激光损伤行为产生影响的机制。结果表明：添加的PEG可以修饰、导向溶胶簇团的生长和交联,并使之有序,由此制备的薄膜结构规整,微缺陷减少,这就提高了膜层的激光损伤阈值;在激光辐照过程中,膜料吸收激光能量,膜层温度升高,膜层的PEG分子受热逐步分解挥发,膜层产生损伤。     

杂质对溶胶-凝胶SiO2薄膜激光损伤的影响

采用溶胶-凝胶法制备了含有吸收性杂质和非吸收性杂质的SiO2增透膜,采用波长为1 064 nm的激光对其进行了小光斑激光预处理,对比研究了预处理前后的激光损伤差异,研究表明：激光预处理对于洁净的SiO2薄膜影响不大;含10 μm SiO2颗粒杂质的样品微透镜效应很明显,容易成为损伤起始的种子,激光预处理后情况有所改善;含有CeO2颗粒杂质的样品表现出了很强的吸收性质,损伤阈值降低到不足洁净样品的一半。所有样品激光预处理后损伤形貌未发生变化,透光率峰值均有约50 nm的蓝移。     

杂质对溶胶-凝胶SiO2薄膜激光损伤的影响

 采用溶胶-凝胶法制备了含有吸收性杂质和非吸收性杂质的SiO₂增透膜,采用波长为1 064 nm的激光对其进行了小光斑激光预处理,对比研究了预处理前后的激光损伤差异,研究表明：激光预处理对于洁净的SiO₂薄膜影响不大;含10 μm SiO₂颗粒杂质的样品微透镜效应很明显,容易成为损伤起始的种子,激光预处理后情况有所改善;含有CeO₂颗粒杂质的样品表现出了很强的吸收性质,损伤阈值降低到不足洁净样品的一半。所有样品激光预处理后损伤形貌未发生变化,透光率峰值均有约50 nm的蓝移。     

高抗激光损伤阈值介孔SiO2 减反射膜

 用P123作模板剂,通过正硅酸乙酯的水解缩聚和溶剂蒸发自组装过程在K9玻璃上制备介孔SiO₂膜。应用FT-IR,XRD,N₂ 吸附-脱附,AFM和UV-Vis表征手段研究了薄膜的介孔结构和光学性能,并使用“R-on-1”模式,以Nd:YAG脉冲激光（9.2 ns, 1 064 nm）测试了薄膜的激光损伤阈值。结果表明:所镀制单层介孔SiO₂膜具有规整的2D p6 mm长周期结构,为SBA-15型,膜层表面比较平整（均方根粗糙度为2.923 nm）,在1 064 nm处的透过率为99.5%, 换算为激光脉宽为1 ns时,膜层的激光损伤阈值为21.6 J/cm²,显示出了较好的减反性能和抗激光损伤性能。     

溶胶-凝胶ZrO2-TiO2高折射率光学膜层的抗激光损伤性能研究

采用溶胶-凝胶方法制备了ZrO2-TiO2(Ti含量为0-100 mol%)高折射率光学薄膜.借助激光动态光散射技术研究溶胶微结构.采用傅里叶变换红外光谱、原子力显微镜、薄膜光学常数分析仪、漫反射吸收光谱及强激光辐照实验,对膜层的结构、光学性能及抗激光损伤性能进行了系统表征.结果显示,溶胶-凝胶工艺可以在部分牺牲折射率的情况下,使膜层的抗激光损伤性能得到大幅度提升.随Ti含量从0mol%增加至100 mol%,膜层的平均损伤阈值呈下降趋势,当Ti含量从0mol%增加至60mol%时,平均损伤阈值从57.1 J/cm2下降到21.1 J/cm2(辐照激光波长为1053 nm,脉冲宽度为10 ns,"R/1"测试模式),当Ti含量从60mol%增加至100mol%时,平均损伤阈值变化很小.综合溶胶微结构、膜层光学性能和损伤实验结果可以推断,强激光诱导多光子吸收是引起膜层损伤的主要原因.不同配比的复合膜之间光学带隙的显著差异导致相同辐照激光情况下多光子吸收的概率发生变化,从而导致损伤阈值的规律性变化.     

Evolution of femtosecond laser-induced damage in doped GaN thin films

Mg- and Si-doped GaN layers deposited by metalorganic chemical vapor deposition method were irradiated with femtosecond pulse duration laser of three different wavelengths 1,030, 515 and 343 nm. Both single and multiple shot laser induced damage thresholds of doped GaN layers were evaluated and discussed. The scanning electron microscopy employed with electron beam induced current and energy dispersive X-ray techniques were used to study laser damage morphology. It was observed that ablated area and laser-induced damage increased with irradiation fluence. The mechanism of damage generation by Gaussian beam profile laser was considered.     

Influences of SiO2 laser-induced protective layers and damage threshold of annealing on the Ta2O5 films

Ta2O5 films are prepared on BK7 substrates with conventional electron beam evaporation deposition. The effects of SiO2 protective layers and annealing on the laser-induced damage threshold （LIDT） of the films are investigated. The results show that SiO2 protective layers exert little influence on the electric field intensity （EFI） distribution, microstructure and microdefect density but increase the absorption slightly. Annealing is effective on decreasing the microdefect density and the absorption of the films. Both SiO2 protective layers and annealing are beneficial to the damage resistance of the films and the latter is more effective to improve the LIDT. Moreover, the maximal LIDT of Ta2O5 films is achieved by the combination of SiO2 protective layers and annealing.     

Influences of SiO2 protective layers and annealing on the laser-induced damage threshold of Ta2O5 films

Ta2O5 films are prepared on BK7 substrates with conventional electron beam evaporation deposition.The effects of SiO2 protective layers and annealing on the laser-induced damage threshold (LIDT) of the films are investigated.The results show that SiO2 protective layers exert little influence on the electric field intensity(EFI)distribution,microstructure and microdefect density but increase the absorption slightly.Annealing iS effective on decreasing the microdefect density and the absorption of the films.Both SiO2 protective layers and annealing are beneficial to the damage resistance of the films and the latter is more effective to improve the LIDT.Moreover,the maximal LIDT of Ta2O5 films is achieved by the combination of SiO2 protective layers and annealing.