两种反射膜系的激光热力损伤特性

 在驻波场理论基础上，用表面和界面强吸收理论模型，计算出了激光辐照下两种不同反射膜系中温度场的“多峰”分布特性，分析了激光对薄膜的热力损伤特性、主要破坏模式和阈值条件。结果表明，光学薄膜对激光能量的吸收，主要由驻波场分布及膜层的消光系数决定；膜系表面的杂质吸附层和界面吸收层是膜系的主要能量沉积区，从而在这些界面形成温度场的“多峰”分布，界面因此成为最容易受激光损伤的部分。导致光学薄膜激光损伤的主要模式为膜层熔融和脱落两种。如果膜层中含有杂质，则容易诱导杂质处膜层剥落破坏。     

激光诱导多层光学薄膜损伤分析与仿真

提出一种全面分析光学薄膜损伤特性的方法,根据热传导理论与电子增殖理论建立激光辐照下多层介质膜的损伤理论模型。以HfO₂/SiO₂多层高反膜为例,计算红外纳秒脉冲激光作用下膜系内部的温度场、应力场以及自由电子数密度分布,对其热学特性与电子增殖特性进行综合评估后,得到不同输入条件下膜系的损伤阈值。结果表明,薄膜材料的损伤特性会受到驻波场的影响,在1064 nm波长的激光辐照下HfO₂/SiO₂ 多层介质薄膜的热致应力损伤效应先于热熔融效应先于场效应发生,且薄膜中SiO₂层发生热损伤,而薄膜并未发生场损伤,此外薄膜的损伤阈值随着激光脉宽的增大而增大。     

窄带干涉滤光片抗击不同输出方式激光的损伤特性研究

利用Nd∶YAG调Q单脉冲激光和自由脉冲激光对硬膜窄带干涉滤光片进行激光损伤阈值的测试，并且采用表面热透镜技术测量了滤光片的吸收率。实验发现:窄带干涉滤光片的吸收率和激光损伤阈值强烈依赖于辐照激光波长与窄带干涉滤光片通带的相对位置；在调Q单脉冲激光作用下，不同中心波长的滤光片损伤形貌存在明显的差别，而在自由脉冲激光作用下，各滤光片的损伤形貌则趋于相同，均表现为典型的热熔烧蚀破坏。根据实验结果，结合损伤形貌，通过驻波场理论对激光作用下滤光片内电场分布的分析与模拟，探讨了两种激光模式作用下滤光片的损伤特征和损伤机理的不同特点。     

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     

脉冲激光辐照TiO2／SiO2薄膜的热效应

用1．06μm单脉冲激光辐照TiO2／SiO2薄膜，利用得到的综合参数K来计算不同能量下单脉冲激光辐照薄膜产生的温度场和热应力场，并对计算结果进行分析，获得了温度场和热应力场在激光辐照过程中的变化过程及热应力在脉冲激光辐照薄膜过程中起主导作用。     

化学增透膜激光疲劳损伤效应

疲劳效应是诱导高功率固体激光装置中光学元件激光损伤的因素之一，目前对SiO₂化学增透膜激光诱导疲劳损伤的研究鲜见报道。基于此，本文采用单一激光能量多发次辐照和多梯度激光能量多发次辐照两种不同的激光辐照方式，研究1064 nm化学增透膜层的激光疲劳损伤效应及特征。研究结果表明，在单一激光能量多发次脉冲激光辐照下，膜层最易发生疲劳损伤; 采用多梯度激光能量多发次辐照的方式，可以有效地提升膜层的损伤阈值，进而提升膜层的抗激光疲劳损伤性能。     

光学窗口材料激光辐照热-力效应的解析计算研究

建立了高功率连续激光辐照透明光学材料的热力学模型,通过积分变换方法求解三维热传导方程,得出了激光辐照引起的瞬态温度场分布的精确解析解,并在此基础上进一步求得热应力场的瞬态分布。以1.315μm的高能氧碘激光辐照熔石英玻璃为例,计算了熔石英在激光辐照下的温度场与热应力场分布,分析了其激光损伤机理。研究结果表明由于熔石英具有优良的热稳定性,温度不均匀分布所产生的热应力相对较小,激光损伤主要是受辐照区域温度值超过材料熔点发生熔融破坏。理论分析结果与相关的实验结论一致,说明所建立激光辐照效应模型的合理性。     

1064 nm窄带干涉滤光片激光破坏研究

干涉滤光片由于内部谐振场共振吸收特性,其激光破坏过程有别于全反膜而具有特殊的性质。本文从谐振场及湿度场理论出发,计算得出了ZnS/MgF2为主材料的滤光片的谐振场及温度场分布规律。在此规律指导下,对相同膜系结构的一系列滤光片的激光破坏阈值、吸收及破坏形貌进行了测量与分析,结合实验结果对干涉滤光片独具特色的破坏发展过程作出了描述,并给出了一定的解释。     

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。     

脉冲激光引起铜膜镜面的环形损伤波纹研究

 用波长1.06μm、半高宽10ns的脉冲Nd:YAG激光辐照铜膜镜面，在激光辐照区，用光学显微镜观察到有规律的环形波纹状损伤图案，波纹平均周期约几十μm。通过对光路系统分析，认为样品前的小孔光阑对激光产生了菲涅尔衍射，使得在样品表面光强分布变成周期性环状分布。在极短的相互作用时间内，热扩散很小，损伤图案依赖于光强分布。并依据实验参数，用柯林斯公式对样品表面的光强分布进行了计算，所得光强分布的周期与损伤波纹的周期基本一致。     

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究. 结果表明: 垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大, 逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动, 并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射; 高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中, 都会产生波长在几个纳米的高频辐射; 低能电子与激光驻波场作用中, 激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度; 高能电子入射时, 激光强度影响了电子高频辐射的强度, 电子初始能量影响着辐射的频率; 电子能量越高, 产生的辐射频率越大. 研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束, 并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源. 研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.     

用于红外激光防护的高开关率VO2薄膜

采用反应离子束溅射和后退火处理技术在石英玻璃基底上制备了具有纳米粒子的二氧化钒(VO₂)薄膜. 该薄膜具有半导体-金属相变特性,在3 μm处的开关率达到76.6%。 热致相变实验结果给出了准确的最佳退火温度为465 ℃. 仿真、热致相变和光致相变实验都显示VO₂薄膜在红外波段具有很高的光学开关特性. 光电池防护实验结果显示VO₂薄膜将硅光电池的抗干扰能力提升了2.6倍, 证明了VO₂在激光防护中的适用性. 采用连续可调节系统研究得到VO₂在室温条件下的相变阈值功率密度为4.35 W/cm², 损伤阈值功率密度为404 W/cm²。 低相变阈值和高损伤阈值都进一步证明VO₂薄膜适用于激光防护系统。本实验制备的VO₂薄膜在光开关、光电存储器、智能窗等方面也具有广泛的应用价值.     

0.53 μm毫秒脉冲激光对GaAs热分解损伤特性

针对波长0.53 m的毫秒脉冲激光辐照GaAs的表面热分解损伤问题,建立了二维轴对称热传导模型,在考虑材料的热物性参数随温度变化的基础上,采用有限元法模拟了材料的瞬态温度场,得到了温度场分布特征及其随时间的变化规律,给出了材料表面发生热分解损伤阈值曲线。数值结果表明:毫秒脉冲激光对GaAs作用时,热传导影响着激光作用全过程,对应的损伤机理主要为热损伤;在激光作用下,被作用表面中心处温度最高,并且首先发生热分解损伤;随着作用激光能量密度的增加,GaAs表面发生热分解损伤的时刻不断提前。     

1.06μm连续与脉冲激光对GaAs材料的联合破坏效应

 通过1.06μm连续激光和脉冲激光联合破坏GaAs材料的实验研究, 给出了GaAs材料在三种不同的连续激光功率密度辐照下, 所需脉冲激光的破坏阈值, 结果表明, 联合破坏时所需脉冲激光的破坏阈值小于单独使用脉冲激光的破坏阈值。根据轴对称二维热模型, 计算了三种情况下连续激光辐照时GaAs材料的表面温度分布曲线及表面辐照中心处温升随辐照时间的关系, 并估算了其后作用的脉冲激光对材料的温升, 对实验及计算结果进行了分析, 并着重比较了联合破坏方式和单独破坏方式的优缺点。     

不同波长激光同时辐照薄膜热效应研究

通过分析两个不同波长激光同时辐照下薄膜体内驻波场分布并求解热传导方程,得到1 064 nm激光和355 nm激光在三倍频分离膜内共同作用下二维温度场分布.研究表明：1 064 nm激光和355 nm激光共同作用引起薄膜体内的温升峰值高于相同能量1 064 nm激光单独作用引起的薄膜体内的温升峰值,低于相同能量355 nm激光单独作用引起的薄膜体内的温升峰值.     

皮秒激光烧蚀Al膜的理论分析与实验验证

为研究Al膜受短脉冲激光作用时的能量传输过程,建立了一维半经典双温热传导模型。根据材料加工过程的熔化现象,对模型的相变区域进行有效设置。通过有限元法求解,得到晶格温度随时间分布的规律。根据自由电子气理论优化了模型,得到Al膜表面反射率和热吸收系数随时间的分布图。得到了激光辐照所产生热电场的分布规律,并分析了电子温度梯度对其影响。描绘出电子漂移运动速度的分布规律,证实激光作用产生的热电场是电子漂移运动的主导因素,发现最大漂移速度位置随时间的延长而加深。对激光作用后的晶格温度进行了区域性分析,定义了过热加热区,并得到激光烧蚀深度随时间的变化关系。实验结果表明,不同功率皮秒激光烧蚀Al膜的深度接近于理论计算结果。     

1064 nm激光对中性密度滤光片的损伤机理研究

中性密度滤光片的典型结构是在K9玻璃上镀金属膜,来实现对激光的有效吸收.由于损伤阈值较低,严重限制了其在高能激光系统中的应用.实验研究了较高激光能量密度下滤光片的损伤形貌和损伤机理.损伤形貌的变化特征是:随着激光能量密度的增加,滤光片先出现损伤点,后以损伤点为中心产生裂纹,且裂纹长度逐渐变长,最终连接成线状和块状,导致大面积的薄膜脱落.建立了缺陷吸收激光能量升温致中性密度滤光片表面薄膜损伤的模型,计算了薄膜表面的温度和应力分布,讨论了薄膜表面不均匀温升造成的径向、环向和轴向热应力分布.理论分析显示:环向应力是造成薄膜沿径向产生裂纹的主要原因.当激光能量密度大于约2.2 J/cm²,杂质粒子半径大于140 nm且相邻杂质粒子之间的距离小于10 μ m时,裂纹才能大量连接起来引起薄膜的大面积脱落.     

CW-COIL激光辐射锗-硫化铅探测器的实验研究

本文叙述了锗－硫化铅（Ｇｅ－ＰｂＳ）探测器的基本特性。分析了激光辐射锗滤光片使用材料升温的穿透深度随时间的变化。在光斑面积２．４６ｍｍ×３．６９ｍｍ和辐照时间０．８ｓ的条件下，得到连续氧碘激光（ＣＷ－ＣＯＩＬ）辐照锗滤光片的烧蚀阈值为１２４Ｗ和破裂阈值为１７７Ｗ的实验数据。在此基础上，进行了ＣＷ－ＣＯＩＬ辐照Ｇｅ－ＰｂＳ探测器的热效应研究，在光斑直径２．１ｍｍ和辐照时间０．８ｓ的条件下，给出ＣＷ－ＣＯＩＬ使Ｇｅ－ＰｂＳ探测器致盲的阈值为１７Ｗ、永久失效的阈值为１９８Ｗ的实验结果。研究结果表明：ＣＷ－ＣＯＩＬ辐照Ｇｅ－ＰｂＳ探测器的破坏机理是激光加热和热应力联合作用的结果。锗滤光片升温，造成硫化铅探测器环境温度升高，导致其探测灵敏度下降为零是ＣＷ－ＣＯＩＬ辐照Ｇｅ－ＰｂＳ探测器产生致盲的原因。激光辐照功率越高，Ｇｅ－ＰｂＳ探测器致盲、恢复时间就越长，甚至造成永久性的失效。