毫秒脈沖激光致薄膜光學(xué)元件損傷特性測試與數(shù)值分析.pdf

1、光學(xué)薄膜是光學(xué)系統(tǒng)中非常重要而又脆弱的元件，本文通過理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬以及實驗等方式對毫秒激光作用下光學(xué)薄膜損傷及作用機(jī)理進(jìn)行了研究，進(jìn)而闡述了毫秒激光損傷過程的特點。
　　 研究了毫秒激光作用下電場分布對膜層溫度和應(yīng)力的影響。從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導(dǎo)了膜層中電場的分布，并根據(jù)傳熱學(xué)和有限元法，建立了毫秒激光輻照光學(xué)薄膜的理想模型。計算了膜層內(nèi)的溫度分布及應(yīng)力分布，并分析了局部電場增強(qiáng)對溫度分布的影響。計算結(jié)果表明：在毫秒激光

2、作用下熱傳導(dǎo)弱化了電場增強(qiáng)效應(yīng)對溫度的強(qiáng)化效應(yīng)，膜層內(nèi)部的溫度分布更為平均，駐波場的存在并不會大幅度降低理想光學(xué)薄膜的損傷閾值。
　　 在考慮薄膜內(nèi)電場分布的前提下，建立了毫秒激光輻照光學(xué)薄膜的缺陷模型。計算了不同填埋深度、不同大小的缺陷所引起的溫度場，分析了陷填埋深度以及大小對溫度場的影響。結(jié)果表明：毫秒激光作用下膜層內(nèi)部的缺陷降低了薄膜的損傷閾值，且缺陷越大、缺陷所處位置的電場越強(qiáng)膜層越容易被損傷。
　　 針對毫秒激

3、光致使兩種典型光學(xué)薄膜的損傷特性，根據(jù)ISO-11254對損傷閾值進(jìn)行了測量，并對其閾值附近的損傷形貌進(jìn)行了顯微分析和研究。研究了不同厚度單層膜的損傷特性，得到了損傷閾值與膜層厚度之間關(guān)系。毫秒激光作用下，影響TiO2/SiO2膜損傷閾值的主要為TiO2，膜層的損傷閾值隨著膜層中TiO2膜的厚度的增加而減小。膜層越厚，單位面積內(nèi)含有缺陷或雜質(zhì)的概率越高，數(shù)量越多，這是損傷閾值隨厚度增加減小的最要原因。
　　 在研究高能量密度激光

4、作用下光學(xué)薄膜的損傷情況時，發(fā)現(xiàn)毫秒激光不僅對光學(xué)薄膜的膜層造成損傷，而且在其基底內(nèi)部造成了毀滅性的破壞。即在毫秒激光作用下，膜層的基底上形成了錐形孔，進(jìn)而對孔的大小和深度與作用激光能量密度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析和討論。實驗結(jié)果表明：當(dāng)激光能量密度增加至2×104J/cm2以上時錐形孔的深度將不再發(fā)生變化，激光輻照區(qū)域形成的物質(zhì)蒸汽能夠吸收部分激光的能量，從而降低了激光對基底的破壞效果。
　　 通過實驗比較了毫秒和納秒激光對光學(xué)薄

5、膜的損傷，得到了其損傷閾值以及損傷形貌，結(jié)果表明毫秒激光引起的光學(xué)薄膜的損傷與短脈沖激光引起的損傷存在顯著的差異。根據(jù)毫秒激光引起的損傷結(jié)果，認(rèn)為膜層的損傷有可能是由缺陷引起的，且閾值附近損傷深度為200μm左右；對于短脈沖激光而言，認(rèn)為損傷主要是由雪崩電離引起的，且其損傷深度僅為百mm量級。進(jìn)而基于傳熱學(xué)理論建立不同脈寬激光輻照光學(xué)薄膜的理想模型，計算了膜層損傷過程中的溫度分布，結(jié)果表明毫秒激光作用下，光學(xué)薄膜的損傷區(qū)域要遠(yuǎn)大于短脈沖