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。     

低功率CO2激光对人牙作用的实验研究

本文介绍了低功率连续ＣＯ２激光对离体人牙烧灼实验情况，对损伤程度和组织学变化进行了分析，认为牙釉质，牙本质和牙骨质的激光能量密集损伤阈值约为１０－２０Ｊ／ｃｍ＾２。     

薄膜内杂质分布的分形特征

薄膜中总会存在一些杂质或者缺陷,杂质和缺陷密度的有限性导致了薄膜破坏的概率性。提出了不同尺寸杂质和缺陷分布的分形特征,分析了薄膜破坏概率与辐照激光功率密度的关系,计算结果与实验结果吻合得很好。得到了一种确定薄膜中最具危害性杂质的热学特性及分布密度的方法。同时提出了杂质的敏感尺寸范围(SSR)的概念,由此得到材料激光损伤阈值的新的确定表达式,该表达式反映的损伤阈值与激光脉宽的关系更加符合实验结果。     

多层介质膜光栅和介质膜反射镜抗激光损伤阈值研究

对多层介质膜光栅以及介质膜反射镜的激光损伤阈值进行了系统的研究。测试方法采用国际测试标准。测试结果表明,介质光栅的损伤阈值远低于未刻蚀的多层介质膜。对样品损伤形貌的扫描电镜照片分析发现,相比于未刻蚀的多层介质膜,介质膜光栅的初始损伤主要发生在光栅槽形的侧壁,且损伤主要是由驻波场的空间分布引起的本征吸收、制备过程中引入的杂质污染以及刻蚀过程中HfO2的化学计量机失衡引起的。     

HfO2／SiO2光学薄膜激光损伤阈值的测量

参照国际标准ISO11254及其规范，组建了小口径1064nm激光的损伤阈值测量装置，能对各种光学元件，包括高反膜、偏振膜及增透膜等进行了1064nm激光损伤阈值测量，按损伤阈值测量国际标准的要求，测量了由HfO2/SiO2镀制的1064nm高反膜，偏振膜及增透膜的激光损伤阈值，分析了它们的激光损伤特性，对于10ns的1064nm激光脉冲，高反膜的损伤阈值为12.8J/cm^2，偏振膜为9.8J/cm^2，增透膜为9.2J/cm^2，对于20ns，1ns的激光脉冲，高反膜的损伤阈值分别为15.3J/cm^2和5.75J/cm^2，高反膜的损伤阈值对于ns激光脉冲符合时间定标率τ^0.35。     

高质量CVD金刚石自支撑膜的连续激光损伤研究

利用HJ - 4型连续CO2 激光对金刚石膜进行了激光损伤阈值的研究,损伤后的金刚石膜用SEM和Raman进行了表征。研究结果表明,高质量CVD自支撑金刚石膜具有较高的 激光损伤阈值,金刚石膜抗连续激光损伤阈值的范围是在1. 15 ×106 ～2. 26 ×106W / cm2。金刚石膜激光损伤主要是由于热震损伤,其机制属于热- 力耦合机制。     

用混合材料镀制激光反射镜

用（Ｔａ２Ｏ５＋ＺｒＯ２）和ＳｉＯ２成功地镀制出两个波段的激光反射镜，使激光破坏阈值提高５％－１５％，膜层吸收小，机械强度增加，理论计算和测量混合成分含量表明，膜成分与配比成分存在６％－１３％的偏差。     

基底亚表面裂纹对减反射膜激光损伤阈值的影响

利用化学沥滤技术,分析了亚表面裂纹对基底表面和减反射膜激光损伤阈值(LIDT)的影响。通过去除或保留研磨裂纹,获得了亚表面裂纹数密度有明显区别的两类基底。为了凸出亚表面裂纹层的作用,基底采用化学沥滤去除另外一种可能的影响因素,即再沉积层中的抛光杂质。然后采用电子束蒸发镀制HfO2/SiO2减反射膜。355nm激光损伤阈值测试结果和损伤形貌分析证实了基底亚表面裂纹对减反射膜抗激光损伤能力的负面影响。根据熔石英基底抛光表面的烘烤现象,提出了亚表面缺陷影响膜层激光损伤的耦合模型。     

杂质诱导磷锗锌晶体光学薄膜激光损伤的研究

对磷锗锌晶体光学薄膜激光损伤的机理进行了实验和理论研究。将同一批生长的磷锗锌晶体切割为6块,并利用相同的工艺对这些晶体进行抛光;对其中4只样品镀制双波段多层增透膜,利用扫描电子显微镜观察这4只样品的光学薄膜形貌,发现薄膜的大部分区域成膜质量较好,但也有小部分区域形成团簇;利用二次离子质谱仪分析了薄膜的组成成分,发现在该薄膜的Zr O2层含有Pt元素;利用波长为2μm、脉宽为31 ns的固体激光器对磷锗锌晶体样品进行激光损伤阈值测试,得出4只镀膜样品的激光损伤阈值平均值为0.68 J/cm2,其他2只未镀膜样品的损伤阈值平均值为1.1 J/cm2。利用有限元仿真方法计算了杂质作用下薄膜的激光损伤阈值,研究了杂质颗粒的半径和填埋深度对损伤阈值的影响,计算了薄膜的理论激光损伤阈值,证明了Pt杂质颗粒的存在对磷锗锌晶体表面增透膜的激光损伤阈值有很大影响,所以控制该杂质的浓度对提高薄膜的损伤阈值具有重要意义。     

HfO2/SiO2多层高反膜脉冲YAG激光预处理机理的研究

本文研究了HfO2 /SiO2 多层高反膜脉冲YAG激光预处理提高抗激光损伤阈值的机理。通过分析和计算 ,我们提出了一种物理模型 ,即热扩散模型。由于扩散结果 ,导致HfO2 膜层的折射率增加 ,致使HfO2 、SiO2 膜层交界处光驻波波峰降低 ,从而提高了薄膜抗激光损伤阈值     

不同方法制备的Ta2O5薄膜光学性能和激光损伤阈值的对比分析

采用电子束蒸发(EBE)和离子柬溅射(IBS)制备了不同的Ta2O5薄膜,同时对电子束蒸发制备的薄膜进行了退火处理.研究了制备的Ta2O5薄膜的光学性能、激光损伤阈值(LIDT)、吸收、散射、粗糙度、微缺陷密度和杂质含量.结果表明,退火可使电子束蒸发制备的薄膜的光学性能得到改善,接近离子柬溅射的薄膜的光学性能.电子束蒸发制备的薄膜的损伤阈值较低的主要原因在于吸收大,微缺陷密度和杂质含量高,而与薄膜的散射和粗糙度关系不大.退火后薄膜的吸收和微缺陷密度都明显降低,损伤阈值得到提高.退火后的薄膜损伤阈值仍然低于溅射得到的薄膜损伤阈值是因为退火并不能降低膜内的杂质含量,因此选用高纯度的蒸发膜料和减少电子柬蒸发过程中的污染有可能进一步提高薄膜的损伤阈值.     

激光预处理中薄膜损伤形貌对预处理效果的影响

采用亚阈值激光能量对光学元件进行激光预处理后,其损伤阈值可以提高两三倍。在激光预处理过程中,不可避免地会使光学元件产生损伤,若产生的损伤不影响光学元件的使用性能,则原则上可以接受。首先介绍了HfO2/SiO2多层高反膜S-on-1损伤阈值测试方法,实验研究了激光预处理过程中光学薄膜元件的损伤过程,分析了预处理过程中薄膜损伤形貌对其光学性能及抗激光损伤阈值的影响。结果表明,对膜系为G/（HL）11H2L/A的HfO2/SiO2多层高反膜进行激光预处理,最外层SiO2层的破坏不影响薄膜整个反射率曲线。相反,由于消除了HfO2层的节瘤缺陷,薄膜的损伤阈值得到大幅度的提高。     

激光对非λ/4膜系变反射率薄膜的损伤机理

讨论了高功率激光对非λ/4膜层组成的变反射率光学介质薄膜损伤时的场作用和热作用的物理机理,并对实际膜层的激光损伤阈值进行了测试.理论和实验研究结果证明,激光对该种膜系产生损伤的主要原因是膜层吸收激光能量引起的.     

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.     

连续CO_2激光对熔石英表面的增强处理研究

研究了连续ＣＯ２激光预辐照对熔石英表面增强的影响，通过ＣＯ２激光对熔石英表面均匀加热，用原子力显微镜和偏光显微镜观察了熔石英表面微观结构变化，发现熔石英表面形成压应力层，表面微裂纹和凹凸度减少。并用调Ｑ１．０６μｍ激光对熔石英表面损伤，其损伤阈值提高了１．５３倍。     

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。     

用于全固态355 nm紫外激光器的三波长高反膜

为了提高激光损伤阈值,采用离子束辅助电子束成膜的方法制备具有355,532,1064 nm三个波长的高反膜.首先使用Lambda950型分光光度计对薄膜样品的光谱性能进行测试,然后验证不同的基底材料及不同的基底清洗工艺对薄膜激光损伤阈值的影响,最后在不同的工作真空度下对薄膜的弱吸收能力和激光损伤阈值等进行较为系统的研究,分析薄膜的弱吸收能力与激光损伤阈值之间的联系.结果 表明,三个波长下的反射率均满足全固态355 nm紫外激光器所要求的光学性能指标,当工作真空度增加到一定程度时,薄膜的激光损伤阈值与弱吸收值不再是对应的关系,而是存在一个最佳值,说明该高反膜可以用于全固态355 nm激光器中的反射镜.     

激光辐照下金纳米缺陷诱导光学玻璃损伤特性

采用离子束溅射的方式,在K9玻璃基片表面引入金纳米杂质缺陷,通过原子力显微镜(AFM)测得金纳米尺寸直径在50~100 nm之间。采用不同能量密度的激光对样品进行点阵式的单脉冲辐照(1-on-1)并且对损伤阈值及典型损伤形貌进行了实验及理论分析。损伤阈值采用零几率处的损伤密度。结果表明:引入金纳米杂质缺陷后其抗激光损伤阈值由裸基片的26.6 J/cm2下降为15.5 J/cm2。通过微分干涉显微镜,随着激光能量的增加,损伤呈爆炸坑形貌,主要呈现纵向加剧损伤。金纳米杂质缺陷在K9玻璃基片上形成了强吸收中心(引入金纳米杂质K9玻璃基片的弱吸收(47.33 ppm,1 ppm=10-6)是裸K9玻璃基片(3.57 ppm)的13倍)造成局部高温,这是造成损伤的诱因。通过计算,金纳米杂质对K9玻璃基片的作用包括两部分:当激光辐照在K9玻璃基片上,首先是热应力引起玻璃的破裂;随后杂质汽化产生的蒸汽压加剧材料的破坏,引起局部炸裂。     

多波长飞秒激光损伤可见光滤光片的实验及机理

针对飞秒激光作用光学该实验条件下薄膜过程中损伤阈值与激光波长的关系问题,利用近红外波段波长可调谐的高重频飞秒脉冲激光,对可见光滤光片光谱通带的过渡区域进行了背向损伤实验,测量了不同波长下的平均功率密度损伤阈值,并从飞秒激光作用的雪崩电离过程出发,推导并计算了该阈值与薄膜干涉场分布的关系,理论结果较好的预测了不同波长下平均功率密度损伤阈值的发展趋势.研究表明,该实验条件下薄膜的飞秒激光损伤是整体行为,同一样品中,干涉场分布的平均值越高即膜层中瞬时驻留的激光能量越大时,相应损伤阈值越低.