钛酸镧薄膜在1064nm/532nm波长激光辐照下的光学特性

采用热蒸发沉积技术制备了钛酸镧(H4)薄膜,研究了1 064nm和532nm波长激光诱导辐照处理后的薄膜折射率、消光系数、激光损伤阈值和损伤过程变迁.结果表明:采用不同波长的激光辐照H4薄膜后,会使其折射率升高,但升高的幅度不大.用1 064nm的激光辐照处理,可将H4膜的激光损伤阈值从10.2J/cm~2提高到15.7J/cm~2(5脉冲辐照),而532nm激光辐照对样品损伤阈值的提高效果不明显.同一样片,1 064nm激光的损伤阈值远远高于532nm的激光损伤阈值.1064nm激光辐照下,H4薄膜经历了轻微损伤、轻度损伤、重度损伤和极度损伤四个缓慢演变的阶段.而532nm激光辐照下,H4薄膜从未损伤到损伤是一个突变的过程,经历了重度损伤和极度损伤的演变阶段.     

辐照激光能量对SiO2薄膜特性及结构的影响

 为了认识SiO2薄膜在激光辐照下的变化,本文以K9玻璃为基底,采用电子束热蒸发方法制备了SiO2薄膜,并将此组在相同实验条件下制备的薄膜加以不同能量的激光辐照,研究在激光辐照前后样片的透射率、折射率、消光系数、膜厚、表面形貌及激光损伤阈值（LIDT）的变化。结果表明,样片膜厚随激光能量的增加而减小,辐照激光能改善薄膜表面形貌,并使样片LIDT值提高,最终能使样片的LIDT值从16.96 J/cm2提高至18.8 J/cm2。     

面阵CCD相机的飞秒激光损伤分析

研究了飞秒激光对CCD相机的干扰和损伤效应。采用波长为800 nm,脉宽为100 fs,单脉冲能量为500μJ的脉冲激光辐照行间转移型面阵CCD相机,测量了飞秒激光对CCD相机的损伤阈值。在逐步提高到达CCD靶面能量的过程中观察点损伤、线损伤和全靶面损伤等实验现象,得到了点损伤阈值为151.2 mJ/cm2,线损伤阈值为508.2 mJ/cm2,全靶面损伤阈值为5.91 J/cm2。测量了CCD在不同损伤情况下时钟信号线间及其与地间的电阻值,通过对比CCD损伤前后的电阻值,发现线损伤和全靶面损伤时CCD垂直转移时钟线间及其与地间的电阻值明显变小。最后分析讨论了损伤部位和损伤机理。     

离子束流后处理对类金刚石薄膜激光损伤特性的影响

类金刚石薄膜激光损伤阈值低,已经严重制约其在红外激光系统中的应用。基于非平衡磁控溅射技术,在硅基底上沉积类金刚石薄膜;采用离子束流后处理技术,用正交实验法确定影响处理效果的主要因素,对已沉积完成的DLC薄膜进行离子束轰击;在不同处理工艺下,观测薄膜样品的光学常数及拉曼光谱,最后进行了激光损伤测试。从测试结果可知,离子束流后处理参数:离子能量1000eV、放电电流30~40mA、轰击时间8min时,透射率由原来的60.65%提高到了65.98%;消光系数在900nm后明显降低,DLC薄膜的激光损伤阈值从0.69J/cm2提高到1.01J/cm2。     

渐变折射率Ta_2O_5/SiO_2薄膜多脉冲激光损伤特性

采用离子束溅射(IBS)的方式,制备了1064nm高反射Ta2O5/SiO2渐变折射率光学薄膜。对其光学性能和在基频多脉冲下抗损伤性能进行了分析。通过渐变折射率的设计方式,很好地抑制了边带波纹,增加了1064nm反射率。通过对损伤阈值的分析发现,随着脉冲个数的增加,损伤阈值下降明显;但是在20个脉冲数后,损伤阈值(维持在22J/cm2左右)几乎保持不变直到100个脉冲数。通过Leica显微镜对损伤形貌的观察,发现损伤诱因是薄膜表面的节瘤缺陷。通过扫描电镜(SEM)以及聚集离子束(FIB)对薄膜表面以及断面的观察,证实了薄膜的损伤起源于薄膜表面的节瘤缺陷。进一步研究得出,渐变折射率薄膜在基频光单脉冲下损伤主要是由初始节瘤缺陷引起的,在后续多脉冲激光辐照下初始节瘤缺陷引起烧蚀坑的面积扩大扫过薄膜上的其他节瘤缺陷,引起了其他节瘤缺陷的喷射使损伤加剧,造成损伤的"累积效应"。     

基于相似测度算法的激光诱导薄膜损伤表面特征研究

鉴于薄膜激光损伤性能评价是增强抗激光红外观察窗口性能的重要保证,给出薄膜在脉冲激光诱导作用下的损伤表面特性及其机理。实验采用YAG脉冲激光器对TiO2薄膜样片进行1-on-1方式的激光诱导。通过CCD采集TiO2薄膜激光辐照前后2幅图像,将这2幅图像进行匹配,建立差异图像测度算法;实验得出TiO2薄膜样片的差异能量测度可判别出损伤情况,即测度值M＜0.1为未发生损伤,0.1＜M＜0.2为轻度损伤,0.2＜M＜0.5为中度损伤,M＞0.5为严重损伤。薄膜样片经过能量密度为0.5 J/cm2的激光辐照后粗糙度明显增大。研究结果表明,采用激光辐照前后图像匹配的测试方法可实现薄膜激光损伤与否的判别。     

溶胶-凝胶法制备高折射率TiO2薄膜

 采用溶胶- 凝胶法制备了TiO₂纳米晶溶胶,并以旋涂法（spin-coating）镀制了高折射率光学薄膜。借助光散射技术和透射电镜研究了溶胶的微结构。采用原子力显微镜、场发射扫描电镜、紫外-可见-近红外光谱仪、椭偏仪、漫反射吸收光谱及强激光辐照实验,对膜层的结构、光学性能及抗激光损伤性能进行了系统的表征。结果显示:纳米晶薄膜的折射率达到了1.9,而传统的溶胶-凝胶薄膜折射率只有1.6;同时纳米晶薄膜的抗激光损伤阈值与传统的溶胶-凝胶薄膜相差不大,在1 064 nm处分别为16.3 J/cm²(3 ns脉冲) 和16.6 J/cm²(3 ns脉冲);纳米晶溶胶薄膜可以在保持较高抗激光损伤阈值情况下,大幅度提高薄膜折射率。     

脉冲激光对绝缘体上硅材料的损伤机理研究

绝缘体上硅(SOI)材料的激光损伤特性研究对基于该材料的光学器件在激光环境中的应用具有重要价值。本文使用1064 nm脉冲激光对SOI材料进行了辐照实验,在脉冲宽度分别为190 ps和280μs的条件下,测得的损伤阈值能量密度分别为2.5 J/cm2和19.8 J/cm2,SOI材料表面的激光损伤模式也存在明显差别。根据实验结果,利用ANSYS软件的热分析模块,采用有限元方法数值模拟了激光辐照结束后SOI材料内部的温度场分布,并结合损伤形貌的观测对SOI材料的激光损伤机制进行了讨论。     

紫外Sc_2O_3薄膜的光学和结构性能表征及其激光作用下的损伤机理

利用电子束蒸发方法,在不同沉积温度(50~350℃)下制备了Sc2O3薄膜。分别用分光光度计,小角掠入射X射线衍射仪和轮廓仪测试了薄膜样品的光谱、微结构和表面粗糙度信息,并用薄膜分析软件Essential Macleod计算了Sc2O3薄膜的折射率和消光系数。结果表明:随着沉积温度升高,Sc2O3薄膜结晶程度增强,晶粒尺寸增大,且较高的沉积温度有利于获得较高的折射率。最后用355 nm,8 ns的三倍频Nd:YAG激光器测试了其激光损伤阈值(LIDT),最大值为2.6 J/cm2,且阈值与薄膜的消光系数、表面粗糙度、光学损耗均呈现相反的变化趋势。用光学显微镜和扫描电子显微镜表征了该薄膜的破坏形貌,详细分析了薄膜在不同激光能量作用下破坏的发展过程,以及Sc2O3薄膜在355 nm紫外激光作用下LIDT与制备工艺的关系,重点分析了355 nm激光作用下薄膜的破坏机理。     

脉宽对中红外激光带内损伤HgCdTe材料的影响

研究了脉宽对于中红外脉冲激光带内损伤碲镉汞（HgCdTe）材料阈值的影响,使用一维自洽模型对激光辐照HgCdTe材料程中的载流子数密度,载流子对数目流,载流子对能流,载流子温度和材料晶格温度等相关参数进行仿真计算。仿真结果表明,波长2.85 μm,脉宽30 ps～10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值为200～500 mJ/cm2。其中,300 ps～3 ns脉冲激光的损伤阈值相近,均为200 mJ/cm2且低于其他脉宽激光的损伤阈值。搭建实验光路并进行相关实验验证仿真模型的正确性。实验发现,波长2.85 μm、脉宽300 ps的单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值在200 mJ/cm2左右。相同条件下,10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值约474 mJ/cm2。百皮秒脉冲激光对HgCdTe材料的损伤过程结合了热击穿和光学击穿效应,其独特的毁伤机理加剧了材料的损伤。     

高折射率光学薄膜的化学法制备研究

 报道了一种以ZrOC₁₂·8H₂O为源,溶胶-凝胶法制备高激光负载高折射率薄膜的新方法。薄膜采用旋转镀膜法制备,对薄膜的结构、光学特性及激光损伤阈值进行了测量,有机粘接剂对薄膜折射率及机械强度的影响也作了探讨。以该薄膜与SiO₂溶胶凝胶膜交替涂覆制成的多层高反膜,剩余透过率仅0.98%,激光损伤阈值达16J/cm²（3ns）。     

Electron beam evaporated LaF3 thin films prepared by different temperatures and deposition rates

LaF₃ thin films were prepared by electron beam evaporation with different temperatures and deposition rates. Microstructure properties including crystalline structure and surface roughness were investigated by X-ray diffraction (XRD) and optical profilograph. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was employed to study the chemical composition of the films. Optical properties (transmittance and refractive index) and laser induce damage threshold (LIDT) at 355 nm of the films were also characterized. The effects of deposition rate and substrate temperature on microstructure, optical properties and LIDT of LaF₃ thin films were discussed, respectively.     

Laser-induced damage of high reflectors for Ti:sapphire laser system

A broadband (～ 176 nm, R ＞ 98%, λ0 = 800 nm) and high laser-induced damage threshold (LIDT =2.4 J/cm2) TiO2/HfO2/SiO2 high reflector (HR) for Ti:sapphire chirped-pulse amplification (CPA) laser system is fabricated by the electron beam evaporation. The refractive index and extinction coefficient of TiO2 and HfO2 films are calculated from single-layer films' transmittance spectra. The properties of HR are mainly determined by the high refractive index material. The high refractive index leads to wide bandwidth. A low extinction coefficient indicates low absorption and high LIDT. The possible damage mechanism of HR is discussed.     

短脉冲激光打靶用溅射防护薄膜的光学性质

针对短脉冲激光打靶用溅射防护聚合物薄膜做了初步研究。研究了氟化乙丙共聚物(FEP)、全氟烷氧基共聚物和乙烯-四氟乙烯共聚物三种厚度均为25μm的聚合物薄膜的透过率,结果表明FEP薄膜在355nm处光透过率达93%,有望用于激光打靶的溅射防护。进一步对FEP聚合物薄膜的波前畸变、激光损伤阈值进行了研究,结果表明φ80mm的聚合物薄膜在632.8nm处的透射波前畸变的峰谷值(PV值)为波长的1.006倍;在采用输出波长355nm,脉冲宽度9.3ns的Nd:YAG激光为照射光源波长处,薄膜零损伤概率时的最高激光能量密度为10.35J/cm2,100%损伤概率时的最低激光能量密度为11.48J/cm2。     

两种后处理方法对HfO2薄膜性能的影响

利用电子束蒸发和光电极值监控技术制备了氧化铪薄膜,并分别用两种后处理方法(空气中退火和氧等离子体轰击)对样品进行了处理.然后,对样品的透过率、吸收和抗激光损伤阈值进行了测试分析.实验结果表明,两种后处理方法都能不同程度地降低了氧化铪薄膜的吸收损耗、提高了抗激光损伤阈值.实验结果还表明,氧等离子体轰击的后处理效果明显优于热退火,样品的吸收平均值在氧等离子体后处理前后分别为34.8 ppm和9.0 ppm,而基频(1 064 nm)激光损伤阈值分别为10.0 J/cm2和21.4 J/cm2.     

原子层沉积HfO_2薄膜的激光损伤特性分析

以目前激光惯性约束聚变中应用最广泛的高折射率材料二氧化铪(HfO2)为研究对象,在熔石英基底上分别采用TEMAH和HfCl4前驱体制备了HfO2薄膜,沉积温度分别为100,200和300℃。采用椭偏仪和激光量热计对薄膜的光学性能进行了测量分析,采用X射线衍射仪(XRD)对薄膜的微结构进行了测量。最后在小口径激光阈值测量平台上按照1-on-1测量模式对薄膜的损伤阈值进行了测试,并采用扫描电子显微镜(SEM)对损伤形貌进行了分析。研究表明,用同一种前驱体源时,随着沉积温度升高,薄膜折射率增加,吸收增多,损伤阈值降低。在相同温度下,采用有机源制备的薄膜更容易在薄膜内部形成有机残留,导致薄膜吸收增加,损伤阈值降低。采用HfCl4作为前驱体源在100℃制备氧化铪薄膜时,损伤阈值能够达到31.8J/cm2(1064nm,3ns)。     

激光辐照VO2薄膜温度场分布及透射特性研究

为了探究VO₂薄膜受激光辐照的温度场分布,以及1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的激光功率密度阈值,并比较近红外和中红外波段透过率调制特性差异。首先基于COMSOL建立了薄膜受激光辐照的模型并进行了温度场仿真,然后分别测试了薄膜正反面被不同功率密度的1 064 nm激光辐照100 s内激光透过率随时间响应特性。实验中的VO₂薄膜利用分子束外延法在Al₂O₃基底上制备得到。仿真结果表明,激光功率密度为25 W·mm^-2时,50 nm厚薄膜在被辐照1 ms时间内即达到相变温度。经激光辐照实验发现:50 nm厚的VO₂薄膜正反面受1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的功率密度阈值分别为4.1 W·mm^-2和5.39 W·mm^-2。30 nm厚VO₂薄膜对1 064 nmn激光的透过率调制深度约为13%,对3 459 nm激光透过率调制深度约62%,说明VO₂薄膜对近红外透过率调制特性不明显。