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化学膜的理化特性调控及性能研究

董祥  
【摘要】:溶胶-凝胶化学膜因其制备成本低、光学性能优良、抗激光损伤阈值高等优点被广泛地应用于高功率激光装置光学系统中。随着激光装置输出功率的不断提高,激光装置中的光学元件使用寿命和负载能力逐渐无法满足系统的使用要求。强化光学元件的负载能力和使用寿命目前主要有两种手段:(1)提升光学元件的制作加工工艺,减少因加工制作产生的表面缺陷,降低缺陷诱导损伤。(2)在光学元件表面镀制溶胶-凝胶增透膜,利用增透膜的减反射性以及高激光损伤阈值等特点,提升光学元件的使用寿命和负载能力。但是,由于溶胶-凝胶法制备的增透膜,膜层主要是由纳米二氧化硅颗粒在基底表面随机堆叠而成,其颗粒直径一般为几十纳米。增透膜膜层结构疏松多孔,颗粒与颗粒之间缺乏稳定的连接,并且Si O_2颗粒表面含有大量硅羟基,对环境中的水分和有机污染物具有较强的吸附能力。针对目前化学膜所存在的问题,本论文采用氨气表面修饰、等离子体和六甲基二硅胺烷(HMDS)表面改性的后处理方式对其理化特性进行调控。适当的后处理可以在不损伤化学膜功能的前提下,对化学膜的机械性能、光学性能以及耐环境稳定性实现强化,大幅提升化学膜在高功率固体激光装置真空运行环境中的使用寿命,降低运行和维护成本。本论文的主要研究内容及研究结果如下:采用氨气表面修饰对溶胶-凝胶增透膜的理化特性进行调控,详细研究了不同氨水量和后处理时间对薄膜的组成成分、光学性能、膜层形貌、抗真空有机污染性能的影响。实验结果显示,增透膜在短时间和少量氨水的后处理中无法实现有效强化。适度的氨处理可以使膜层中部分硅羟基发生脱水缩合反应,促进膜层收缩让相邻的二氧化硅颗粒通过稳定的化学键连接在一起,提升薄膜的机械性能。真空污染实验结果表明,氨水后处理能够显著提高溶胶-凝胶增透膜的抗污染性能。但是,随着氨水量和后处理时间的增加,碱性潮湿环境使薄膜亲水性增加,光学性能恶化,薄膜对污染物的吸附逐渐降低并趋于稳定。采用等离子体和HMDS表面改性对溶胶-凝胶增透膜的性能进行调控,研究了等离子体处理和处理时长对增透膜光学性能、表面形貌、亲疏水性能的影响。然后,将HMDS表面改性与等离子体处理相结合,研究了两步后处理对溶胶-凝胶增透膜组成成分、光学性能、表面形貌、亲疏水性能以及抗污染性能的影响。在等离子体处理过程中,自由基和高能态粒子与薄膜表面相互作用,膜层中自由羟基含量减少,膜厚降低,透射峰位蓝移。同时,薄膜折射率下降,膜层中的孔隙变得更加开放,薄膜亲水性增加。但随着处理时间的增加,等离子体刻蚀效应开始破坏膜层结构,影响薄膜的光学性能,甚至剥离薄膜。在将HMDS表面改性与等离子体处理结合后,膜层表面和孔隙被三甲基硅所填充,薄膜折射率上升、疏水性能显著提高。最后,真空污染实验表明,等离子体-HMDS两步后处理显著提高了增透膜的抗污染性能。


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