光斑尺寸对光学薄膜元件温升的影响

 实验测量了波长1 064 nm， 10 kHz高重复频率激光辐照下在白宝石、石英玻璃、K9基片上制备的Ta₂O₅/SiO₂高反膜的温度变化，有限元分析的结果与实验结果相一致。用ANSYS程序计算了不同光斑直径、相同功率激光和相同功率密度激光辐照下薄膜元件温升的变化。结果表明：相同功率激光辐照光学薄膜元件时，光斑大小只影响激光辐照点的温升，对基板温升没有影响。基板温升只与激光功率有关，激光功率越大，基板温升越大。相同功率密度激光辐照光学薄膜元件时，光斑越大，激光辐照点温度及基板温度均越高。从激光损伤的热效应考虑，小光斑激光辐照时，光学薄膜的激光损伤阈值较高。     

激光辐照ZnSe／MgF2滤光片的热效应研究

介绍了光热光检测方法的基本原理。采用从波长上把泵浦光和检测光分开的方法，利用光热光平行检测技术测量了检测激光通过ZnSe/MgF2滤光片后信号的变化，并用红外热像仪测量了泵浦激光辐照干涉滤光片产生温升随时间的变化。根据干涉滤光片的膜层结构，分析了热效应对干涉滤光片薄膜折射率、膜层光学厚度和透过率的影响。研究结果表明：连续激光辐照ZnSe/MgF2滤光片产生的温升，可使滤光片透射光谱曲线偏高中心滤长，导致其透过率的热致非线性变化。     

1.06μm连续激光辐照TiO_2/SiO_2/K_9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。     

真空退火对355nm Al2O3/MgF2高反射薄膜性能的影响

 采用电子束蒸发沉积技术制备了355nm Al₂O₃/MgF₂ 高反射薄膜，并在真空中进行不同温度梯度的退火，用X射线衍射（XRD）观察了薄膜微结构的变化，用355nm Nd：YAG脉冲激光测试了薄膜的激光损伤阈值，用Lambda 900光谱仪测试了薄膜的透过和反射光谱。结果表明在工艺条件相同的条件下真空退火过程对薄膜的性能有很大的影响，退火温度梯度越小的样品，吸收越小，阈值越大，并且是非晶结构。选择合适的真空退火过程可以减少355nm Al₂O₃/MgF₂ 高反射膜的膜层吸收，提高薄膜的激光损伤阈值。     

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。     

Gd0.55Sr0.45MnO3薄膜光诱导电阻变化特性研究

分别采用固相反应和脉冲激光沉积的方法制备了电荷-轨道有序态锰氧化物Gd_0.55Sr_0.45MnO₃块材和多晶薄膜, 研究了薄膜在光诱导作用下的电阻变化特性. 实验结果表明该薄膜在整个测量温度范围内表现出了半导体型导电特性. 利用变程跳跃模型拟合电阻温度关系可知, 其电荷有序态转变温度为70 K. 激光作用致使薄膜电阻减小, 当激光功率度为40 mW/mm²时, 最大光致电阻相对变化值可达99.8%, 且在8 s的时间内达到了平衡态, 温度对其影响很小; 当激光功率度为6 mW/mm²时, 获得的最大光致电阻相对变化值为44%, 而且时间常数随温度的升高而增大, 这主要是由于光诱导和热扰动共同作用的结果.     

化学法制备的HfO2薄膜的激光损伤阈值研究

 采用化学法制备了HfO₂介质膜，研究了热处理、紫外辐照以及Al₂O₃复合对HfO₂介质膜激光损伤阈值的影响。采用红外光谱（FTIR）和X射线衍射仪对薄膜进行了表征，并用输出波长为1.064 μm、脉宽为10 ns的电光调Q激光系统测试薄膜的激光损伤阈值。实验结果表明：采用150 ℃左右的温度对薄膜进行热处理可以提高薄膜的激光损伤阈值，所获得的薄膜的激光损伤阈值高达42.32 J/cm²，比热处理前的激光损伤阈值提高了82%；无机材料Al₂O₃的适量添加能够提高薄膜的激光损伤阈值，其中HfO₂与Al₂O₃的最佳质量配比约为95∶5；另外，对薄膜进行适当的紫外辐照也可改善HfO₂ 薄膜以及HfO₂-Al₂O₃复合薄膜的抗激光损伤性能。紫外辐照对提高HfO₂-Al₂O₃复合薄膜的激光损伤阈值效果尤为显著，辐照40 min后的激光损伤阈值达到44.33 J/cm²，比紫外辐照前的激光损伤阈值提高了90%。     

激光窗口热透镜效应对光束质量的影响

 分析了高功率激光通过窗口时，引起的窗口热透镜效应及其对激光光束质量的影响。用冲量定理方法，推导了二维热传导方程的广义傅里叶级数解，然后按照平面热应力问题，运用有限元方法数值计算热变形。考虑热变形、折射率随温度变化，忽略光弹性效应，解出出光面的波前相差分布，讨论了远场光束质量。以空心环形光束为例，计算了熔融石英(SiO₂)和白宝石(Al₂O₃)两种常用窗口的温升分布、热变形、波前相差和光束质量，分析了冷却、辐照时间、光强分布的空间梯度和各种材料参数对光束质量的影响。     

溶胶-凝胶法MgF2紫外增透膜的制备和性能研究

 采用溶胶-凝胶法,以醋酸镁和氟化氢为原料,以甲醇为溶剂制备了MgF₂溶胶,利用浸渍提拉法在洁净石英基片上镀膜,考察了反应温度对溶胶微结构、薄膜结构和性能的影响。样品采用激光动态光散射、透射电镜、X射线粉体衍射仪、紫外-可见光谱仪、原子力显微镜进行表征。结果表明：通过该方法制备的表面平整的低折射率MgF₂薄膜,在紫外区具有很好的增透性能,同时在紫外波长355 nm激光的辐照下（脉宽6 ns）,薄膜具有较高的抗激光损伤性能,激光损伤阈值达10.85 J·cm^-2。     

氧分压对ZrO2薄膜激光损伤阈值的影响

 在不同的氧分压下用电子束热蒸发的方法制备了ZrO₂薄膜。分别通过X射线衍射、光学光谱、热透镜技术、抗激光辐照等测试，对所制备样品的微结构、折射率、吸收率及激光损伤阈值进行了测量。实验结果表明，薄膜中晶粒主要是四方相为主的多晶结构，并且随着氧分压的增加，结晶度、折射率以及弱吸收均逐渐降低。薄膜的激光损伤阈值开始随着氧分压增加从18.5J/cm²逐渐增加，氧分压为9×10^-3Pa时达到最大，值为26.7 J/cm²，氧分压再增加时则又降低到17.5 J/cm²。由此可见，氧分压引起的薄膜微结构变化是ZrO₂薄膜激光损伤阈值变化的主要原因。     

连续激光辐照下二氧化钒薄膜热致相变实验研究

 介绍了VO₂薄膜的相变原理，用磁控离子溅射法制备了VO₂薄膜，并进行了X射线衍射和不同温度下的光谱透过率测量。在1.319 μm 连续波激光辐照下，实时测量了VO₂薄膜的温度变化，以及由于温度变化引起相变后对激光透过率的变化。结果表明，入射到薄膜表面的平均功率为8.9 W、光斑直径2 mm时，激光出光480 ms后，VO₂的温度从室温上升到约100 ℃，薄膜发生了相变，其对1.319 μm激光的透过率从相变前的48％降为相变后的28％。     

All-Optical Bistabilities in Reflection and Luminescence of Thin ZnSe Films

First reports of absorptive all-optical bistabilities in reflectance and luminescence of a Fabry-Perot cavity consisting of thin (0.70 μm) ZnSe film are presented. We demonstrate that the observation of bistability in the reflected beam does not require necessarily the appearance of bistability in the transmitted beam. Luminescence bistabilities, however, are observed both in the light captured from the incident side of the film and in the light emitted from the transmission side. The bistabilities in reflection and luminescence are explained quite satisfactorily by the principle of increasing absorption due to photo-irradiation and the dependence of the luminescence intensity on a photo-thermally induced temperature change, respectively. All experiments were carried out at room temperature with the 488 nm line of an argon laser.     

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。     

高功率半导体激光对光学元件损伤特性

 为研究880 nm高功率半导体连续激光器对光学元件的损伤特性,选择了K9玻璃、ZnSe晶体和无氧铜进行镀膜加工,形成高反射率和高透过率的光学元件。通过调节到达光学元件表面的平均功率和改变光斑大小来改变光学元件表面的功率密度,并连续照射30 s,最终通过显微镜来观察元件的激光损伤形貌。研究结果表明：镀高反膜的K9玻璃在功率密度达到600 W/cm²时,膜系表面出现烧熔现象,当达到1 000 W/cm²时出现炸裂现象,而无氧铜基底镀金反射镜在上述功率密度下未发现损伤;而镀增透膜的ZnSe晶体在激光功率密度高达1 000 W/cm²时,通过显微镜观察没有发现明显的损伤,热像仪显示基底温升为5 ℃。     

基于ZnSe/Ag/ZnSe可见区透明导电薄膜

利用红外光学材料ZnSe和金属Ag在室温下采用电子束蒸发镀膜技术研制了透明导电薄膜ZnSe/Ag/ZnSe,该薄膜的电子浓度为1.208×1020 cm－3,电子迁移率和电阻率分别为17.22 cm2 V－1 s－1和2.867×10－5 Ω·cm,功函数达到5.13 eV,在可见区的平均透过率理论模拟值超过80%,而测量结果为63.8%,测量的最高透过率为83%.结果表明,该透明导电薄膜具有良好的光学和电学性能,可作为透明电极应用于发光二极管等光电子器件中.     

高温高压制备Cr2+: ZnSe单晶及其光学性质

为了得到高质量、大尺寸Cr²⁺: ZnSe中红外激光晶体,以适应高功率全固态中红外激光器的发展要求,在高温高压下全石墨腔内运用布里奇曼晶体生长方法,生长出了高质量Ф 30×120 mm Cr²⁺: ZnSe单晶。采用X射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、红外稳态吸收及荧光光谱等测试方法对晶体的结构及光谱特性进行了表征,并探讨了Cr²⁺: ZnSe晶体中Cr²⁺的能级结构及跃迁机理。结果表明:所生长的Cr²⁺: ZnSe单晶结构均匀,性质稳定,1.97 μm激发的荧光光谱覆盖1.9~3 μm范围,可用于获得2~3 μm全固态中红外激光。     

黑体辐射法测量电介质内部被超短激光脉冲加工后的温度

黑体辐射法可用于测量电介质内部被超短脉冲激光加工后,电子和晶格的瞬时温度.当一个超短激光脉冲通过物镜聚焦到石英玻璃内部时,在焦点附近诱导出微结构.微结构中热影响区的最大宽度为16μm,热影响区发出的黑体辐射谱通过物镜、带耦合透镜的光纤、光谱仪以及ICCD组装成的系统记录.测试系统收集了电介质内部被单个激光脉冲辐照后,热影响区发射的黑体辐射谱,然后用Planck公式拟合黑体辐射谱,得到电介质温度.电介质被超短激光脉冲辐照后,首先电介质中的价带电子通过强场电离和雪崩电离跃迁到导带,高温高压的等离子体以冲击波的形式向外运动,通过对流方式传递能量,该过程发生在激光辐照石英后21 ns内.21 ns后冲击波转化为声波,中心的气态石英通过热扩散方式影响周围的固态区域,石英温度缓慢下降.在时刻t(单位ns),石英玻璃的温度为5333 exp(-t/1289)K.石英经过3.72μs将冷却到室温,因此重复频率在269 k Hz以上的激光,加工石英玻璃时具有热累积效应.     

Analysis of laser induced thermal mechanical relationship of HfO_2/SiO_2 high reflective optical thin film at 1064 nm

A numerical model is developed for the calculation of transient temperature field of thin film coating induced by a long-pulsed high power laser beam. The electric field intensity distribution of HfO2/Si02 high reflective （HR） film is investigated to calculate the thermal field of the film. The thermal-mechanical relationships are discussed to predict the laser damage area of optical thin film under long pulse high energy laser irradiation.