高功率激光薄膜及相关检测技术

高阈值高消光比偏振膜元件，对整个大型激光器的能量输出以及系统结构设计极为关键，目前国内技术上仍然难以达到该要求，主要问题在于高阈值与高消光比两个指标难以同时获得，同时制备工艺很难稳定。用于ICF的高功率强激光系统的末端，一般采用三倍频光注入打靶，显然，三倍频薄膜元件的抗激光损伤能力，将直接制约激光系统的能量水平与打靶的效果。因此，建立三倍频损伤测量平台，以推动三倍频紫外激光薄膜与紫外元件的研究已经是当务之急。     

三种不同波长的激光对熔石英损伤行为的对比研究

利用SAGA激光器，输出脉宽为7．2ns、波长分别为1064nm、532nm、355nm的基频光和倍频光，对相同类型的5块石英基片用R：1的方法分别测量了其损伤阂值，对比不同波长激光对石英材料的损伤行为差异。得出其损伤阈值在三种不同波长激光作用下分别为：46．78J／cm^2、13．4J／cm^2、9．28J／cm^2；并利用尼康E600W光学显微镜对三种不同波长激光造成的损伤形貌进行了观察，结合当前光学材料的损伤机理，对比得出倍频激光对石英基片的损伤破坏能力远大于基频光，且对石英材料的损伤机理主要表现为多光子吸收导致的雪崩电离破坏，而基频光的损伤多为表面缺陷及杂质引起的热破坏的结论。     

平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统

为了满足快速、精确、定量地测量薄膜激光损伤阈值的要求,设计了平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统.介绍了损伤阈值测量的原理和方法,提出二分查找与顺序查找相结合的能量密度查找方式;根据分光镜的分光比及能量探测器示值求解辐照激光能量,用CCD成像法精密测量了作用在薄膜表面的激光光斑面积;基于小波变换法,通过图像处理精确识别了薄膜的损伤;建立能量密度与损伤几率坐标并进行最小二乘法拟合,对损伤阈值进行了标定.对45°高反射膜分别进行了高斯光束辐照和平顶光束辐照的测量实验,结果表明:高斯光束辐照测量的损伤阈值为9.95J/cm~2,平顶光束辐照测量的损伤阈值为13.98J/cm~2,平顶光束诱导比高斯光束诱导的损伤阈值高40.5%.     

1.06 μm连续激光辐照TiO2/SiO2/K9薄膜元件温升规律研究

利用1．06μm连续激光在不同强度下辐照TiO2／SiO2／K9薄膜元件，实验中用红外热像仪测量激光辐照在TiO2／SiO2／K9元件表面引起的温升随时间的变化，通过数据处理，获得激光辐照区域最高温度随辐照时间的增加而增加。同时，给出材料温升随材料发射率的变化关系。并用程序模拟不同激光强度下薄膜温度场的分布，通过实验测量数据校正数值模拟计算结果，给出TiO2／SiO2／K9薄膜元件温度随激光辐照强度和辐照时间的变化规律。并且获得在薄膜厚度方向：薄膜表面温度最高，基底与薄膜接触处温度最低；沿径向：激光辐照中心温度最高，边沿温度最低。     

ns激光辐照ZrO2薄膜剥落的理论研究

在ns激光辐照光学薄膜温度分布的基础上，利用最大剪应力理论建立了光学薄膜发生迎光剥落的理论模型，得到了发生损伤相应的应力分布和膜层剥落半径与入射激光能量关系．通过数值分析，验证了理论模型与实验结果基本保持一致，膜层临界损伤阈值与实验结论在数量级上保持一致；剥落半径与入射能量关系曲线与实验结果基本吻合．指出薄膜的损伤形态与其附着力强度有着密切关系，只有当附着力强度小于某一定值（～9．4×10^4N／cm^2）时，才会发生剥落．     

LF－11~＃激光器升级倍频系统多层膜A：减反射膜

固体激光器装置升级扩展对薄膜研制提出了严重挑战。相互矛盾的各种技术指标必须匹配。就损耗、激光损伤阈值、光学技术指标和长期稳定性来讲，淀积工艺和镀膜材料的选取是至关重要的。特别地，ＬＦ一１１￣＃固体激光器升级对光学薄膜提出了许多新的性能要求。我们研制了ＬＦ一１１￣＃激光器升级所用各种薄膜元件。现分两部分讨论各种膜系研制情况。第一部分就是这篇论文所涉及的ＢＫ７玻璃，熔石英玻璃材料上的单波长，倍频双波长，二倍频、三倍频三波长减反射膜的研制。给出了膜系设计，淀积试验，光谱性能测试和激光损伤实验结果。     

脉冲激光对类金刚石（DLC）薄膜的热冲击效应研究

强激光辐照红外热像系统时，可造成系统的干扰和破坏，激光的波长不同，对系统的破坏效果也不同.为了保护红外系统窗口以及提高窗口的透过率，红外窗口广泛沉淀类金刚石（DLC）薄膜.当入射的激光波长位于红外系统响应波段外时，激光对系统的破坏首先是激光对DLC薄膜的破坏.以波长为1.06μm的激光为例，研究了脉冲激光对DLC薄膜的损伤机理，建立了DLC薄膜的热冲击效应模型，并通过求解热传导和应力平衡方程，得出了薄膜的温度场和应力场分布.理论分析表明，热应力破坏在脉冲强激光对DLC膜的损伤机理中占主导地位.当 辐照能量密度为E₀=100mJ·cm^-2时，在薄膜表面距光斑中心约 40μm区域内的压应 力明显超出其断裂强度，将造成膜层的剥离、脱落.理论分析与实验结果基本相符，表明建 立热冲击效应模型的正确性. 关键词： 激光辐照 类金刚石（DLC）薄膜 热冲击效应     

光学膜层激光预处理过程研究

 光学元件经过激光预处理后，其抗激光破坏能力最大提高2倍以上，系统研究激光预处理机理和工艺，能安全可靠地提高光学元件损伤阈值，提升高功率激光系统的能量密度。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）以及损伤阈值的增幅，发现预处理过程膜层仍然发生了一定程度的轻微损伤，这种损伤和膜层本身缺陷、激光参数密切相关，预处理过程可逐步消除膜层缺陷。     

缓冲层对LBO晶体上1 064 nm|532 nm二倍频增透膜的激光损伤阈值的影响

采用电子束蒸发方法在LBO晶体上制备了无缓冲层和具有不同缓冲层的1 064 nm,532 nm二倍频增透膜.利用Lambda900分光光度计和调Q脉冲激光装置对样品的光学性能和抗激光损伤性能进行了测试分析.结果表明,所有样品在1 064 nm和532 nm波长的剩余反射率都分别小于0.1％和0.2％.与无缓冲层样品相比,采用SiO2和MgF2缓冲层薄膜的激光损伤阈值分别提高了23.1％和25.8％,而Al2O3缓冲层的插入却导致薄膜的激光损伤阈值降低.通过观察薄膜的激光损伤形貌,分析破斑的深度信息和电场分布,表明LBO晶体上1 064 nm,532 nm二倍频增透膜的激光损伤破坏主要表现为膜层剥落,激光产生的热冲击应力使薄膜应力发生很大变化,超过膜层之间的结合而引起膜层之间的分离.采用SiO2或MgF2缓冲层可改进Al2O3膜层的质量,从而有利于提高薄膜的激光损伤阈值.     

缓冲层对LBO晶体上1 064 nm,532 nm二倍频增透膜的激光损伤阈值的影响

采用电子束蒸发方法在LBO晶体上制备了无缓冲层和具有不同缓冲层的1 064 nm,532 nm二倍频增透膜.利用Lambda900分光光度计和调Q脉冲激光装置对样品的光学性能和抗激光损伤性能进行了测试分析.结果表明,所有样品在1 064 nm和532 nm波长的剩余反射率都分别小于0.1%和0.2%.与无缓冲层样品相比,采用SiO2和MgF2缓冲层薄膜的激光损伤阈值分别提高了23.1%和25.8%,而Al2O3缓冲层的插入却导致薄膜的激光损伤阈值降低.通过观察薄膜的激光损伤形貌,分析破斑的深度信息和电场分布,表明LBO晶体上1 064 nm,532 nm二倍频增透膜的激光损伤破坏主要表现为膜层剥落,激光产生的热冲击应力使薄膜应力发生很大变化,超过膜层之间的结合而引起膜层之间的分离.采用SiO2或MgF2缓冲层可改进Al2O3膜层的质量,从而有利于提高薄膜的激光损伤阈值.     

HfO2/SiO2薄膜的激光预处理作用研究

对电子束蒸发方式镀制的HfO2/SiO2反射膜采用大口径激光进行辐照,采用激光量热计测量了激光辐射前后的弱吸收值。实验发现HfO2/SiO2反射膜在分别采用1 064 nm和532 nm的激光辐照前后薄膜吸收分别从5.4%和1.7%降低到1.4和1.2%。采用聚焦离子束技术分析了激光辐照后薄膜的损伤形态并探究了损伤原因,发现：薄膜在激光辐照下存在节瘤的地方容易出现薄膜损伤,具体表现为熔融、部分喷发、完全脱落3种形态,节瘤缺陷种子来源的差异是导致其损伤机理也存在着巨大差异的主要原因。同时这些节瘤缺陷种子来源也影响着激光预处理作用效果,激光预处理技术对于祛除位于基底上种子形成的节瘤是有效的,原因是激光辐射过后该节瘤进行了预喷发而不会对后续激光产生影响;而激光预处理技术对位于膜层中间的可能是镀膜过程中材料飞溅引起的缺陷是无效的,需要通过飞秒激光手段对该类节瘤进行祛除。     

等离子体冲击波特征与薄膜损伤阈值关系研究

激光损伤阈值是衡量光学元件性能的重要参数,而判别薄膜是否发生了损伤是准确测量薄膜激光损伤阈值的关键,因此研究薄膜损伤的判别方法具有重要意义。传统方法准确度低、操作复杂、人为因素影响大,提出了以等离子体冲击波压强特征为标准的判定薄膜损伤的新思路。以多种单层薄膜为例,搭建测试平台,利用传声器采集激光辐照薄膜产生的等离子体冲击波,将该数据与国标法测得的激光薄膜损伤阈值相对照,找到对应的等离子体冲击波压强阈值。实验表明,该方法判别速度快,操作简单,测试设备搭建方便,并可以实时监测,能够大大提高检测效率。     

1 064 nm激光对氧化铟锡薄膜的损伤研究

 液晶光学器件在激光光束精密控制上具有重要应用前景,氧化铟锡（ITO）薄膜作为液晶光学器件的透明导电电极,是液晶器件激光损伤的薄弱环节。为此,建立了ITO薄膜激光热损伤物理模型。理论计算结果表明：1 064 nm激光对ITO薄膜的损伤主要为热应力损伤;连续激光辐照下,薄膜损伤始于靠近界面的玻璃基底内;脉冲激光辐照下,温升主要发生在光斑范围内的膜层,薄膜损伤从表面开始。利用泵浦探测技术,研究了ITO薄膜的损伤情况,测量了不同功率密度激光辐照后薄膜的方块电阻,结合1-on-1法测定了ITO薄膜的50%损伤几率阈值。实验结果表明：薄膜越厚,方块电阻越小,激光损伤阈值越低;薄膜未完全损伤前,方块电阻随激光功率密度的增加而增大。理论计算与实验结果吻合较好。设计液晶光学器件中的ITO薄膜电极厚度时,应综合考虑激光损伤、透光率及薄膜电阻的影响。     

HfO_2/SiO_2薄膜的激光预处理作用研究北大核心CSCD

激光预处理是提高激光薄膜抗激光损伤阈值的重要手段。对电子束蒸发方式镀制的HfO2/SiO2反射膜采用大口径激光进行了辐照,并采用激光量热计测量了激光辐射前后的弱吸收值。采用聚焦离子束(FIB)技术分析了激光辐照后薄膜的损伤形态并探究了损伤原因,首次采用扫描电镜拍摄到了节瘤部分喷发时的形貌图,并对其进行了FIB分析,为进一步了解节瘤的损伤过程提供了依据。实验发现,激光辐照过后的激光薄膜弱吸收明显降低,激光预处理有效减少了引起薄膜吸收的缺陷,存在明显的清洗效应;在本实验采用的HfO2/SiO2反射膜中,激光预处理技术对于祛除位于基底上种子形成的节瘤是有效的,原因是激光辐射过后该节瘤进行了预喷发并不会对后续激光产生影响;而激光预处理技术对位于膜层中间的可能是镀膜过程中材料飞溅引起的缺陷是无效的,需要通过其他手段对该类节瘤进行祛除。     

LBO晶体上1064 nm,532 nm二倍频增透膜的制备和性能

采用电子束蒸发方法在三硼酸锂(LBO)晶体上制备了1064 nm,532 nm二倍频增透膜.利用Lambda900分光光度计、MTSNanoIndenter纳米力学综合测试系统以及调Q脉冲激光装置对样品的光学性能、附着力和激光损伤阈值进行了分析测试.结果表明,通过多次实验,不断改进薄膜沉积工艺条件,在LBO晶体上获得了综合性能优异的二倍频增透膜.样品在1064 nm,532 nm波长的剩余反射率分别为0.07%和0.16%,薄膜粘附失效的临界附着力和激光损伤阈值分别为137.4 mN和15.14 J/cm2,薄膜激光损伤发生在Al2O3膜层.     

激光诱导击穿光谱在薄膜损伤分析中的应用

提出了应用激光诱导击穿光谱技术对薄膜损伤特性进行表征的方法,研究了纳秒脉冲激光作用下薄膜损伤时的等离子体光谱特征,并应用该技术对薄膜的抗激光损伤特性进行了测量.实验测得,HfO2单层膜在78mJ的激光能量的辐照下,薄膜损伤时的等离子体温度为2 807.4K,且电子密度为7.4×1017cm-3.利用识别薄膜损伤时的等离子体光谱的特征,准确地判断了薄膜是否损伤,避免了薄膜损伤的误判现象.结果表明,激光诱导击穿光谱技术适用于薄膜的激光损伤测试中,并且是一种非常有效的测试分析方法.     

光学玻璃基底原子层同质材料沉积薄膜光谱及激光诱导损伤特性研究

通过原子层沉积技术在熔石英玻璃表面制备了同质材料的单层SiO₂薄膜,对光学薄膜的物理化学性质和强激光辐照下的激光诱导损伤性能进行了深入研究。实验中采用双叔丁基氨基硅烷（BTBAS）和臭氧（O₃）作为反应前驱体,在熔石英光学元件表面进行了SiO₂薄膜的原子层沉积工艺研究,以不同沉积温度条件制备了一系列膜样品。首先对原子层沉积特性和薄膜均匀性展开了研究,发现薄膜生长厚度与沉积循环次数之间符合线性生长规律,验证了制备薄膜的原子级逐层生长特性,并且表面沉积膜层的均匀性很好,其测得膜厚波动不超过2%。然后针对不同温度条件下沉积的SiO₂薄膜,对其粗糙度及各类光谱特性展开了研究,对比结果表明：样品的表面粗糙度在镀膜后有轻微的降低;薄膜样品在200～1 000 nm范围内具有出色的透过率,均超过90%并逐渐趋近于93.3%,且其透射光谱与在裸露熔石英衬底上测得的光谱没有明显差异;镀膜前后荧光光谱和傅里叶变换红外光谱的差异证实了原子层沉积SiO₂膜中点缺陷（非桥键氧、氧空位、羟基等）的存在,这将会影响薄膜耐损伤性能。最后对衬底和膜样品进行了紫外激光诱导损伤测试,损伤阈值的变化表明熔石英元件表面沉积薄膜后的激光损伤性能有所降低,其零概率损伤阈值从31.8 J·cm-2减小到20 J·cm-2左右,与光谱缺陷情况表征相符合。薄膜中点缺陷部位会吸收紫外激光能量,导致局域温度升高,进而出现激光诱导损伤现象并降低抗激光损伤阈值。在选定的沉积温度范围内,较高温度条件下沉积的SiO₂薄膜其激光诱导损伤性能更好,可以控制沉积温度条件使得元件的抗损伤性能更为接近衬底本身,后续有望通过其他反应参数的优化来获得薄膜抗损伤性能的进一步提升。     

实时测量308nm激光泽薄膜的损伤阈值

用菜射光法，建立了一套实时监视与测量３０８ｎｍ激光对全的帮增透膜的损伤的实验装置。实时观察到了损伤从起始、加深直至饱和的整个过程的波形，用这一装置测量了全反膜和增透膜在３０８ｎｍ激光作用一的损伤阈值，测得是全反膜在０°与４５°入射角时的损伤阈值分别为１．７与１．０Ｊ／ｃｍ＾２。而增秀原阈值为１．３Ｊ／ｃｍ＾２。     

HfO_2单层膜的吸收和激光损伤阈值测试

薄膜吸收是降低膜层激光损伤阈值的重要原因,为了研究薄膜吸收对激光损伤阈值的影响,对HfO2单层膜在1 064 nm处的吸收及其在不同波长激光辐照下的损伤阈值进行了测试和分析。研究结果表明:薄膜的激光损伤阈值由薄膜吸收平均值(决定于薄膜中缺陷的种类和数量)和吸收均匀性(决定于薄膜中缺陷的分布)共同决定;根据HfO2单层膜在1064 nm波长处的吸收值,不但可以定性判断薄膜在1 064 nm波长,而且还可以判断在其它波长激光辐照下的抗激光损伤能力。     

连续激光辐照ZnSe/MgF2/K9滤光片的透射特性研究

 分析了连续激光辐照ZnSe/MgF₂/K9滤光片引起透射特性的变化。在室温条件下，用波长0.632 8μm激光作为探测光束，测量了1.06μm连续激光辐照ZnSe/MgF₂/K9滤光片温升引起薄膜折射率的改变，导致探测光束通过干涉滤光片后透过率的热致非线性变化。在光斑直径0.75mm条件下，测量了不同功率激光辐照ZnSe/MgF₂/K9滤光片引起温升随时间的变化。在激光功率30W，辐照时间2.52s条件下，实验观测到ZnSe/MgF₂/K9滤光片薄膜破坏温度约为90℃，辐照时间10s时干涉滤光片形成的薄膜龟裂形貌。