溶胶—凝胶薄膜激光损伤和耐高温性能研究

发布时间：2020-04-19 03:18

【摘要】：对于光学薄膜,其抗激光损伤阈值(laser-induced damage threshold,LIDT)越高,表示需要更大能量密度的激光才能使其破坏,也就有着更好的抗激光损伤性能,能够促进激光系统向更高功率、更大能量的方向发展。相较于物理法制备激光薄膜,使用溶胶-凝胶法制备得到的薄膜抗激光损伤能力更好。但是溶胶-凝胶薄膜折射率低,需要退火增大薄膜致密度,从而提高薄膜的折射率。然而,溶胶-凝胶薄膜的缺点是不耐高温,高温极大降低薄膜的LIDT,同时也限制了大功率激光系统在苛刻环境下的应用。本文通过对比研究添加剂种类、薄膜材料和有机物含量等对薄膜的影响,了解激光诱导损伤机理和溶胶-凝胶薄膜耐高温性能的影响因素,寻求提高溶胶-凝胶薄膜LIDT和耐高温性能的途径。首先通过加入不同添加剂制备Ti O2薄膜,详细分析讨论了乙酰丙酮(Acetylacetone,ACAC)和二乙醇胺(Diethanolamine,DEA)各自优缺点,以及加入聚乙二醇200(Polyethylene glycol 200,PEG 200)后的双添加剂对薄膜性能及抗激光损伤阈值的影响。并通过实验结果和基于缺陷诱导损伤模型的理论计算表明,溶胶-凝胶薄膜最终的阈值是由薄膜结构和添加剂的性质特别是热导率所共同决定的。其次将以DEA和PEG 200为添加剂的Ti O2薄膜分别在不同温度进行退火处理,发现该薄膜的LIDT随退火温度的升高而减小。在523 K和623 K的高温退火后的LIDT相比于353 K低温退火下降了72%和76%。通过分析发现这是由于随退火温度的升高,薄膜内部三维网络状结构不断被破坏,缺陷不断增加,表面粗糙度不断加大所造成的。根据LIDT结果和损伤形貌,这里提出了一种薄膜结构的演化模型来描述温度对薄膜的影响。然而分析其损伤形貌,发现即使退火温度超过有机物沸点,薄膜内仍有部分有机物残留,它为以后制备耐高温的溶胶-凝胶薄膜提供了一种可能的途径和理论基础。最后通过改变薄膜材料、前驱体和添加剂的种类,并进行高温退火处理,研究溶胶-凝胶薄膜耐高温性能的影响因素。实验发现Zr O2薄膜比Ti O2的耐高温性能更为优异。并发现有机物的加入量及有机物种类对溶胶-凝胶高温退火后的光学性能、相结构、表面形貌和抗激光损伤性能均有着影响。实验中以Zr OCl2·8H2O为前驱体、水溶性硅油为添加剂制备得到的Zr O2薄膜,其LIDT为33.06 J/cm2,而且623 K的高温退火后LIDT仅下降35.39%,仍达到21.36 J/cm2,说明该薄膜具有优异的抗激光损伤性能和耐高温性能。同时将该薄膜进行原位高温损伤阈值测试,了解高温环境下薄膜阈值的变化。
【图文】：

示意图,溶胶-凝胶过程,示意图,反程

溶胶凝胶粉末图 1-1 溶胶-凝胶过程示意图Figure 1-1 Schematic diagram of sol-gel process制备金属氧化物溶胶时，主要的化学反应：M O R xHOM O H xROHXcatalystX2 (水解) HO2XMOHMO22XcatalystX （）(缩聚) 一般来讲，溶胶的形成过程可以用三个简单的可逆反应来表达，即一个水解反程 1.3)和两个缩聚反应(方程 1.4 和 1.5)。以 254Si OCH为例反应方程如下：Si O R nHOSiOHnROH42 水解SiOHOHSiSiOSiHO2 脱水缩聚SiOHSi O R SiOSi O R ROH43 脱水缩聚

示意图,提拉法,涂膜,示意图

胶-凝胶技术镀膜是指在基底上形成一层溶胶膜，然后将溶剂的蒸发，同缩聚反应的继续进行，最后形成具有网络结构的多孔状凝胶膜。溶胶-凝设备简单、容易操作、成本低、适合于大尺寸及形状不规则的基底等优点层具有纳米颗粒多孔网络结构，并且可以调节薄膜折射率。用溶胶-凝胶技术制备薄膜的方法有很多：提拉法(Dip-coating)、coating)、流延法(Flow-coating)、涂布法(Roll-coating)、喷溅法(Spray-coati(Meniscus-coating)等[29]，每种方法都有各自的优缺点，可根据实际情况选拉法(Dip-coating)：提拉法是先将基底浸入溶胶，然后将该基底以一定的基底不动，让溶胶的液面以一定速率均匀下降，即液面下降法)，一层溶底上形成液膜，对液膜进行处理将溶剂和水蒸发掉便成为凝胶膜。提拉过阶段：浸渍、提拉、沉积、排液和蒸发，过程如图 1-2 所示。提拉法可通粘度、提拉速率来控制每层薄膜的厚度，一般每层薄膜的厚度为 20-40 n次提拉步骤即可得到所需厚度的薄膜。用这种方法还可以制备不同材料的拉法具有很多优点，如工艺简单，可制备大尺寸不规则形状的薄膜，不易溶液或溶剂不敏感，，可以在可控气氛中操作等。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TN24

【参考文献】