毫秒脉冲激光致薄膜光学元件损伤特性测试与数值分析

【摘要】：光学薄膜是光学系统中非常重要而又脆弱的元件,本文通过理论推导、数值模拟以及实验等方式对毫秒激光作用下光学薄膜损伤及作用机理进行了研究,进而阐述了毫秒激光损伤过程的特点。 研究了毫秒激光作用下电场分布对膜层温度和应力的影响。从麦克斯韦方程组出发,推导了膜层中电场的分布,并根据传热学和有限元法,建立了毫秒激光辐照光学薄膜的理想模型。计算了膜层内的温度分布及应力分布,并分析了局部电场增强对温度分布的影响。计算结果表明：在毫秒激光作用下热传导弱化了电场增强效应对温度的强化效应,膜层内部的温度分布更为平均,驻波场的存在并不会大幅度降低理想光学薄膜的损伤阈值。 在考虑薄膜内电场分布的前提下,建立了毫秒激光辐照光学薄膜的缺陷模型。计算了不同填埋深度、不同大小的缺陷所引起的温度场,分析了陷填埋深度以及大小对温度场的影响。结果表明：毫秒激光作用下膜层内部的缺陷降低了薄膜的损伤阈值,且缺陷越大、缺陷所处位置的电场越强膜层越容易被损伤。 针对毫秒激光致使两种典型光学薄膜的损伤特性,根据ISO-11254对损伤阈值进行了测量,并对其阈值附近的损伤形貌进行了显微分析和研究。研究了不同厚度单层膜的损伤特性,得到了损伤阈值与膜层厚度之间关系。毫秒激光作用下,影响TiO2/SiO2膜损伤阈值的主要为TiO2,膜层的损伤阈值随着膜层中TiO2膜的厚度的增加而减小。膜层越厚,单位面积内含有缺陷或杂质的概率越高,数量越多,这是损伤阈值随厚度增加减小的最要原因。 在研究高能量密度激光作用下光学薄膜的损伤情况时,发现毫秒激光不仅对光学薄膜的膜层造成损伤,而且在其基底内部造成了毁灭性的破坏。即在毫秒激光作用下,膜层的基底上形成了锥形孔,进而对孔的大小和深度与作用激光能量密度之间的关系进行了分析和讨论。实验结果表明：当激光能量密度增加至2×104J/cm2以上时锥形孔的深度将不再发生变化,激光辐照区域形成的物质蒸汽能够吸收部分激光的能量,从而降低了激光对基底的破坏效果。 通过实验比较了毫秒和纳秒激光对光学薄膜的损伤,得到了其损伤阈值以及损伤形貌,结果表明毫秒激光引起的光学薄膜的损伤与短脉冲激光引起的损伤存在显著的差异。根据毫秒激光引起的损伤结果,认为膜层的损伤有可能是由缺陷引起的,且阈值附近损伤深度为200μm左右；对于短脉冲激光而言,认为损伤主要是由雪崩电离引起的,且其损伤深度仅为百nm量级。进而基于传热学理论建立不同脉宽激光辐照光学薄膜的理想模型,计算了膜层损伤过程中的温度分布,结果表明毫秒激光作用下,光学薄膜的损伤区域要远大于短脉冲激光,并验证了毫秒在损伤领域的优势。 本文的研究结果不仅有助于加深对毫秒激光损伤光学薄膜进程的理解,而且对其损伤机理有了进一步的认识,同时为抗激光损伤薄膜的研制提供理论和实验基础。