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类金刚石薄膜抗激光辐照性能实验研究

叶景峰  
【摘要】:长期以来,光学薄膜的激光损伤研究一直是激光技术领域重点关注的课题。一方面,它是激光技术发展的铺路石,另一方面是激光与物质相互作用研究的一个重要组成部分。所以,开展光学薄膜的激光损伤研究不仅是考查光学薄膜激光损伤性能的需要,也是研究激光与材料作用机理的需要。 类金刚石(DLC)薄膜是一种新型的薄膜材料,以其优良的性能而在电子、生物尤其是军事领域受到青睐。在光学方面,它主要因有宽波段的透过率和强耐冲击腐蚀特性而被作为光学窗口的增透保护膜层。作为一种光学薄膜,激光损伤性能自然是DLC薄膜性能的一个重要参数。 本文在分析了光学薄膜的激光损伤机理以及损伤实验方法的基础上,对利用脉冲激光沉积(PLD)技术在硅(Si)基底上制备的DLC薄膜的激光损伤性能进行了实验研究。首先验证了利用监测探测光的散射光能量进行薄膜损伤判别的可行性,然后对脉冲1064nm、248nm激光和连续10.6μm激光作用下的DLC薄膜性能进行了研究分析。得出了如下主要结论: 1) Si基底上DLC薄膜(厚度100~200nm)的零几率损伤阈值:在脉冲1064nm激光(脉宽10ns,有效光斑面积4.9mm~2)辐照下,单脉冲损伤阈值约0.5J/cm~2,多脉冲(脉冲数20,脉冲重复频率1Hz)损伤阈值约0.1J/cm~2,多脉冲损伤阈值明显低于单脉冲损伤阈值;在脉冲248nm激光(脉宽28ns,有效光斑面积1.2mm~2)辐照下,单脉冲和多脉冲(脉冲数20,脉冲重复频率1Hz)损伤阈值均约为0.1J/cm~2;在连续10.6μm激光(激光作用时间2~10s,有效光斑面积0.1mm~2)辐照下,损伤阈值约为5.0×10~4W/cm~2。 2) 连续小光斑激光对有限尺寸平板靶材的辐照实验中,由于热传导的影响,激光的作用位置对损伤是一个重要的影响因素。在激光辐照下,靶材边缘处比中心更容易发生损伤。 3) 初步认为,DLC薄膜在脉冲1064nm激光下的损伤主要是由杂质缺陷吸收引起的,多脉冲损伤阈值明显低于单脉冲损伤阈值的原因是杂质缺陷的微损伤累积效应;脉冲248nm激光辐照下,由于薄膜和基底强烈本征吸收的存在,杂质缺陷吸收可能不是引起损伤的主要原因,造成多脉冲效应不明显,更进一步的分析待研究;连续10.6μm激光作用下,DLC薄膜的损伤主要是由于基底吸收激光能量局部温升而使薄膜石墨化、气化造成的。


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