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。     

横向电场下的类金刚石薄膜激光损伤

类金刚石(DLC)薄膜在红外区有很高的透过率,但激光损伤阈值低,严重限制了其应用领域。采用直接在DLC薄膜上沉积Ti电极,基于激光损伤阈值(LIDT)测试平台,用1-on-1零几率损伤法,研究了在不同偏置电场下DLC薄膜损伤阈值及损伤形貌的变化。发现电场强度从0增加到700V/cm,损伤阈值明显增大;进一步增大偏置电场,损伤阈值相对不变。分析认为偏置电场改变了激光辐照DLC薄膜区域的光生载流子漂移速度,减小了DLC薄膜的局部热累积,减缓了薄膜的石墨化进程,提高了DLC薄膜的抗激光损伤阈值。     

类金刚石和碳氮薄膜的电化学沉积及其场发射性能研究

利用电化学方法在室温下成功地沉积了类金刚石(DLC)薄膜和非晶CN_x薄膜，并 对制备条件进行了讨论.通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱技术，分析了薄膜的表面形貌和化学结合状态.场发射测量结果表明：DLC膜和非晶CN_x的开启场分别为88和 10V/μm；并且在23V/μm的电场下，DLC膜和非晶CN_x膜的发射电流密度分别达到10 和037mA/cm². 关键词： 电化学沉积 类金刚石薄膜 x薄膜')" href="#">CN_x薄膜 场致电子发射     

类金刚石薄膜及其进展

为了使研究者能更详细地了解类金刚石（DLC）薄膜的研究现状,综述了类金刚石薄膜的特性及应用,分析对比了目前常用的一些类金刚石薄膜的制备方法,包括物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）,并对类金刚石薄膜的抗强激光损伤特性以及提高其激光损伤阈值的方法进行了论述。结果发现,利用PVD法制备的DLC膜的硬度可以达到40 GPa~80 GPa,且薄膜的残余应力可以达到0.9 GPa~2.2 GPa之间,而CVD法则由于反应气体的充入导致类DLC薄膜的沉积速率大大降低,故使用率不高。同时,优化膜系的电场强度设计,采用合理的制备工艺,进行激光辐照后处理,施加外界电场干预均可有效地提高DLC薄膜的抗激光损伤能力, 且目前的DLC薄膜的激光损伤阈值可达到2.4 J/cm2。     

溶胶-凝胶ZrO2-TiO2高折射率光学膜层的抗激光损伤性能研究

采用溶胶-凝胶方法制备了ZrO₂-TiO₂(Ti含量为0—100mol%)高折射率光学薄膜. 借助激光动态光散射技术研究溶胶微结构. 采用傅里叶变换红外光谱、原子力显微镜、薄膜光学常数分析仪、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表征. 结果显示，溶胶-凝胶工艺可以在部分牺牲折射率的情况下，使膜层的抗激光损伤性能得到大幅度提升. 随Ti含量从0mol%增加至100mol%，膜层的平均损伤阈值呈下降趋势，当Ti含量从0mol%增加至60mol%时，平均损伤阈值从57.1J/cm²下降到21.1J/cm²(辐照激光波长为1053nm，脉冲宽度为10ns，“R/1”测试模式)，当Ti含量从60mol%增加至100mol%时，平均损伤阈值变化很小. 综合溶胶微结构、膜层光学性能和损伤实验结果可以推断，强激光诱导多光子吸收是引起膜层损伤的主要原因. 不同配比的复合膜之间光学带隙的显著差异导致相同辐照激光情况下多光子吸收的概率发生变化，从而导致损伤阈值的规律性变化. 关键词： 2-TiO₂薄膜')" href="#">ZrO₂-TiO₂薄膜 溶胶-凝胶 激光诱导损伤 光学带隙     

激光对红外系统的失效机理和破坏效应研究

 根据红外光学系统的会聚特性，用光学增益方法分析了红外系统中各元件对应的光强分布，确定了位于焦面附近光学元件是激光破坏的易损部件，并提出了强激光对红外系统元件损伤,造成其探测、制导功能失效的硬破坏机理；由红外滤光片、探测器和信号处理电路与入射激光波长的光谱响应分析，提出了弱激光对红外系统干扰，导致其探测、制导功能在激光辐照一段时间内失效的软破坏机理；开展了激光辐照红外系统的失效验证实验，较好地解释了其失效的机理和效应。     

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.     

强脉冲CO2激光对红外材料的破坏现象

实验表明强激光对红外材料的破坏分为两种类型:烧蚀和冲击破坏。在空气中,光功率密度低于大气的光学击穿阈值时,以烧蚀为主。超过击穿阈值时,冲击破坏是主要的。在我们的实验条件下,用强激光辐照红外脆性材料的靶,靶极易产生微裂纹或粉碎性破坏,其破坏效果与激光的脉冲能量、功率密度、脉冲宽度,以及着靶面积有关。为了直观,文中给出了不少辐照损伤的照片。 关键词：     

用高能H+束辐照类金刚石碳膜的研究

用能量(112,89keV)和剂量(1×10¹⁷,5×10¹⁶个/cm²)配比不同的H⁺束对双离子束溅射淀积的类金刚石碳(DLC)膜进行辐照,用Raman光谱、红外透射光谱和膜层电阻率测量、粘着力测定等多种手段对辐照前后的DLC膜进行,表征和分析,结果表明,高能H⁺束辐照效应跟高能重离子辐照效应是不同的,H⁺束辐照使膜层sp³C—H键相对减少,sp关键词：     

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。     

波段外脉冲激光对锗透镜热冲击效应的数值与实验研究

基于热传导及热弹性力学的基本关系式,建立了激光辐照锗透镜的热力耦合数学物理模型,对瞬态热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,得到了锗透镜的温度场和应力场分布,并利用波长1.06 μm,脉冲宽度10 ns的Nd∶YAG脉冲激光对锗透镜进行了热冲击实验研究.数值分析表明,热应力损伤在锗透镜的脉冲强激光损伤中占据主导地位,在短脉冲激光辐照下,锗透镜出现热应力损伤的激光能量密度小于出现熔融损伤的激光能量密度,热应力损伤主要集中在光斑中心区域并体现为压应力损伤,将使材料表面出现裂纹或剥落,实验结果与数值分析基本相符.     

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。     

红外探测系统的激光辐照热效应仿真分析

为研究红外探测系统受激光辐照后的热效应与二次热辐射对探测器成像的影响,使用Ansys软件对红外探测器进行热辐射仿真和有限元结构仿真;采用黑体辐射定律和DO辐射计算模型模拟计算探测器内光学系统在不同激光辐照度下的温度随时间变化情况以及探测器内部温升对靶面成像的二次热辐射干扰情况;采用热弹性力学模型仿真计算探测器内部的热应力和热变形情况。结果表明:探测器受到1.06μm激光照射,矫正镜激光辐照度在50 W/cm²时,靶面受到二次热辐照度在0.6 s时达到100μW/cm²的量级,使红外探测器达到饱和;探测器受激光辐照后系统最高温度出现在矫正镜中心处,拟合得到系统最高温度与受照时间函数关系,可预测探测器升温结构破坏;最大热变形出现在矫正镜背面中心处,由外向内形成不等附加光程差,干扰探测器的成像效果;最大热应力出现在矫正镜前面中心处,得到最大热应力与激光辐照度间的线性关系曲线,为矫正镜热应力破坏提供预测参数。     

连续CO2激光对红外窗口材料损伤研究

研究了连续ＣＯ２激光对几种红外窗口材料的表面损伤特性，研究表明，损伤机制在于杂质缺陷吸收造成的热冲击应力破坏。深入研究了杂质缺陷密度、焦斑与材料损伤阈值的关系，并建立了一个损伤模型。同时分析了热冲击应力破坏方式。     

激光钝化对熔石英修复后损伤性能影响的实验研究

采用10.6 μupm 的 CO₂激光, 对单次激光脉冲辐照修复熔石英存在的烧蚀采用大光斑钝化去除. 经过辐照修复的区域置于前表面测试初始损伤阈值, 结果表明调制造成的损伤得到了一定程度的抑制; 辐照区域置于后表面修复后 熔石英的初始损伤阈值超过了基底的初始损伤阈值. 实验观察到了应力分布外扩, 同时明显减弱. 对损伤增长的测试说明, 经过激光熔融辐照后的损伤点, 当应力释放以后, 损伤扩展初期表现出指数增长趋势, 后期随着辐照次数的增加, 损伤增长不再明显, 并且趋于恒定值.     

Resonant infrared matrix-assisted pulsed laser evaporation of TiO2 nanoparticle films

The successful development of flexible, high performance thin films that are competitive with silicon-based technology will likely require fabricating films of hybrid materials that incorporate nanomaterials, glasses, ceramics, polymers, and thin films. Resonant infrared matrix-assisted pulsed laser evaporation (RIR-MAPLE) is an ideal method for depositing organic materials and nanoparticles with minimal photochemical or photothermal damage to the deposited material. Furthermore, there are many nonhazardous solvents containing chemical functional groups with infrared absorption bands that are accessible using IR lasers. We report here results of recent work in which RIR-MAPLE has been employed successfully to deposit thin films of TiO₂ nanoparticles on Si substrates. Using an Er:YAG laser (λ=2.94 μm), we investigated a variety of MAPLE matrices containing –OH moieties, including water and all four isomers of butyl alcohol. The alcohol isomers are shown to provide effective and relatively nontoxic solvents for use in the RIR-MAPLE process. In addition, we examine the effects of varying concentration and laser fluence on film roughness and surface coverage.     

激光法红外热像镜组中心偏测量与调校研究

论述了多镜片成像光学镜组中心偏的理论表征 ,以及自准反射旋转法测量中心偏的原理。设计了用于红外光学镜组的中心偏检测系统。系统包括用于 8～ 14 μm红外光学系统中心偏测量的CO2 激光 ;可调焦望远镜 ;采用TGS热释电热像仪与计算机配合的数据读出及处理系统 ;径向跳动≤ 1μm ,轴向晃动≤ 1″的高精密基准轴工作台。系统测量中心偏精度为 :角度≤ 2″ ,线度≤ 0 .0 2mm。给出了中心偏数据处理程序。系统也可用于在线装校 ,更换光源 (用He Ne激光代替CO2 激光 )系统可用于 3～ 5 μm红外光学系统的测量。进一步改进并利用激光的相干特性 ,系统可实现中心偏测量精度≤ 1μm。     

Semianalytical analysis of thermal effect in LD double-side-pumped rectangular laser crystal

A semianalytical method to analyze the thermal effect in a LD double-side-pumped rectangular laser crystal is put forward. Through the analysis of working characteristics of the laser crystal, a thermal model that matches actual situations of the laser crystal is established. General expressions of temperature field and thermal distortion field in the laser crystal can be obtained by a novel method to solve the heat conduction equation of orthotropic material. This semianalytical method can be used to calculate the temperature field and thermal distortion field in other LD double-side-pumped laser crystals and is applied to Nd:YVO₄ crystal in detail in this paper, and two methods of effectively reducing thermal distortion in the laser crystal are offered. Results show that a maximum temperature rise of 362.2 °C and a maximum thermal distortion of 5.55 μm are obtained in Nd:YVO₄ crystal when the output power of the two laser diodes are both 30 W. When the off-center distance is 0.6 mm, the maximum thermal distortion is reduced by 37.7%; when the thickness of the crystal is reduced from 2.0 mm to 1.4 mm, the maximum thermal distortion is reduced by 31.7%. Results in this paper can offer theoretical base for better solving thermal problems in laser system.