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光学薄膜在激光作用过程中的热吸收与热应力的研究

陈习权  
【摘要】:在由激光驱动的惯性约束核聚变的光学系统中,控制光束的光学元件要达到一定的功能,就需要在光学元件基底上镀制不同材料、不同膜层的薄膜,以满足光学系统对元件功能的要求。实验表明,薄膜光学元件的损伤阈值是限制强激光系统功率密度提高的“瓶颈”之一,薄膜激光损伤机理成为该领域的研究热点。 本文利用作者参与建立的用于光学元件强激光损伤阈值测试的散射光损伤阈值标准测试系统,以及用于激光辐照下光学薄膜弱吸收及其损伤动态过程实时监测的表面热透镜实验测试装置,结合NIKON E600W型NOMASKI相衬显微镜、原子力显微镜(AFM)和轮廓仪等多种先进的显微测试装置,研究了多种膜系的强激光辐照损伤: 1).以K9玻璃为基底,采用离子束溅射沉积和溶胶-凝胶两种不同方法镀制的SiO_2材料膜层的强激光辐照损伤情况,首次发现相同基底上离子束溅射沉积物理膜的弱吸收系数远高于对应的溶胶-凝胶化学膜。物理膜具有高吸收下的致密膜层快传导的热冲击效应,受基底材料的影响比较明显,在1.06μm波长、3nS脉宽的泵浦激光参数条件下,膜层的损伤阈值为21.88 J/cm~2;而化学膜则有低吸收下的疏松空隙填充的慢传导的延缓效应,受基底材料的影响要小,相同条件下膜层的损伤阈值为41.61 J/cm~2。 2).以K9玻璃为基底,采用离子束溅射沉积法镀制的单层膜(SiO2、ZrO2和HfO2)、多层增透膜(ZrO2/SiO 2和HfO2/SiO2)及多层高反膜(ZrO2/SiO2和Ta2O5/SiO2)的强激光辐照损伤,发现不同物理膜层之间,损伤阈值的高低与膜层的弱吸收系数大小成反比例关系,吸收系数越大则其损伤阈值越低;物理膜层的损伤阈值差异与膜层材料密切相关。作者认为在激光辐照过程中,一方面物理膜层中较多的杂质和缺陷易造成缺陷诱导型损伤,另一方面受膜层均匀紧凑、致密性高的微观性能和吸收系数较大特征的影响,作用过程中的热冲击效应明显,是造成上述物理膜层损伤阈值普遍偏低的重要原因。


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