光学薄膜的激光损伤分析及识别研究

发布时间：2020-10-30 06:23

　　 激光武器正朝着大功率高能量的方向发展,这对激光器提出了新的要求。而激光器中光学元件的抗激光损伤能力已成为目前制约激光器发展的主要因素。光学薄膜是光学元件的重要核心组成部分,它直接决定着光学元件的抗激光损伤能力。如何提高光学薄膜的抗激光损伤能力是大功率高能量激光器发展的关键。只有解决了光学薄膜的抗激光诱导损伤问题,才能更有力地推动大功率高能量的激光器的发展。虽然激光与光学薄膜相互作用机理已基本被大家认可,但对各种薄膜的实验验证却不充分。激光诱导损伤阈值(Laser-induced Damage Threshold,LIDT)作为衡量光学薄膜抗激光损伤能力的重要技术指标,其测试的准确性也仍需进一步研究。本文以光学薄膜激光诱导损伤的识别与评判以及损伤阈值的准确测试为主要内容,开展了以下的研究工作:光学薄膜激光诱导等离子体光谱特征研究:基于原子碰撞和受激辐射原理,在等离子体的局部热力学平衡条件下,利用麦克斯韦(Maxwell)方程以及萨哈(Saha)方程对光学薄膜在受到脉冲激光辐照损伤时的原子电离过程及电离程度进行了仿真计算,分析了光学薄膜在脉冲激光辐照下所产生的等离子体闪光过程,重点研究了光学薄膜的等离子体闪光光谱的相关特征。利用原子谱线的峰位和谱线宽度,计算得到了光学薄膜脉冲激光诱导损伤过程中的等离子体温度和电子密度,为光学薄膜与激光相互作用机理的研究提供了有力的技术支撑。光学薄膜激光诱导等离子体冲击波特征研究:采用空气动力学、非定常气体动力学以及点爆炸理论,对光学薄膜受脉冲激光辐射后产生的等离子体冲击波建立了理论模型,利用质量、动量和能量守恒定律对该等离子体冲击波在空气中的传播特征参数进行了仿真计算,并利用声学诊断的方法进行了实验验证。结果表明,该等离子体冲击波在空气中传播时,其速度、压强、温度等参数在空气中传播时均呈现指数衰减的变化趋势,且与光学薄膜吸收的激光能量有直接关系。因此,光学薄膜脉冲激光诱导的等离子体冲击波特征与光学薄膜的激光损伤特征有着密切的关系,理论分析与实验验证结果相一致,这也为激光与光学薄膜相互作用机理的研究提供了又一种有效地实验验证方法。光学薄膜脉冲激光诱导损伤的识别方法研究:提出了两种有效识别光学薄膜激光诱导损伤的方法:一是基于光学薄膜发生损伤时的脉冲激光诱导等离子体闪光光谱特征,将闪光光谱中是否存在光学薄膜的材料元素谱线作为判断依据,解决了已有的等离子体闪光识别方法所存在的因人为因素或大气闪光所带来的损伤误判问题,提高了光学薄膜激光诱导损伤阚值(LIDT)的测试准确性;二是基于光学薄膜脉冲激光诱导等离子体冲击波特征,并结合相衬显微镜法,利用声学诊断的方法对光学薄膜是否发生损伤进行识别,保证了测试准确性,同时也有效地提高了光学薄膜激光诱导损伤阈值的测试效率。光学薄膜脉冲激光诱导损伤阈值主要影响因素的实验研究:基于光学薄膜与脉冲激光相互作用的热效应和场效应理论,实验验证并讨论分析了基底面形参数以及光学薄膜的膜系周期结构对光学薄膜激光诱导损伤阈值的影响。提出了对薄膜施加外加偏置电场的方法,并采用该方法实验研究了类金刚石薄膜(Diamond-like Carbon Film,DLC)和氧化物膜的激光诱导损伤特性。实验表明,该方法明显减轻DLC薄膜和氧化物膜的激光诱导损伤程度,有效地提高了光学薄膜的抗激光诱导损伤能力。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ95;TN248
【部分图文】：

周维军用有限元法计算了?Ｋ９玻璃的温度场和应力场分布［２４］。同年，凌秀??对节瘤这种缺陷进行了热力损伤的理论分析１％。２００７年，赵东方等人基于包换??程的热传导方程，采用热熔法，对毫秒脉冲激光与金属材料相互作用过程进行了??并分析了金属材料内部温度的变化规律［２６１。２００８年，吴师岗通过实验得出导??＞２薄膜激光损伤阈值降低的原因主要是材料的缺陷致使强吸收后发生相变。２０１５??英杰等人针对薄膜与基底界面间的界面耦合效应建立了模型，并研宄得出：基底??

周维军用有限元法计算了?Ｋ９玻璃的温度场和应力场分布［２４］。同年，凌秀??对节瘤这种缺陷进行了热力损伤的理论分析１％。２００７年，赵东方等人基于包换??程的热传导方程，采用热熔法，对毫秒脉冲激光与金属材料相互作用过程进行了??并分析了金属材料内部温度的变化规律［２６１。２００８年，吴师岗通过实验得出导??＞２薄膜激光损伤阈值降低的原因主要是材料的缺陷致使强吸收后发生相变。２０１５??英杰等人针对薄膜与基底界面间的界面耦合效应建立了模型，并研宄得出：基底??

光学薄膜的激光损伤分析及识別研允??与薄膜界面间的耦合效应，即热效应与力学效应的耦合是影响薄膜激光损伤的Ｍ要原因??之一［２Ａ因此亚表面的缺陷不容忽视，图１．３为入射激光辐照到基底缺陷处的电场分布??图。??ＩＢＢ！?—??ｍ??Ｉ?Ｉ?Ｉ?ａ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??－３?－１．５?０?１．５?３?３?－１．５?０?１．５?３?（ｕｍ）??图１．３薄膜与基底界面缺陷处电场分布??（１）薄膜的吸收??基于光的电磁理论，薄膜的光吸收主要是由材料的介电常数屮的虚部引起的。材料??的介电常数为：??１?＋?－－?ｅ?－?ｆ〇ｓｃ｛ｃ〇２?－?（〇ｌ?＋?／ｒｃｏ）??￡?＝?￡｝?＋￡■，?＝?＾??（１－１）??－?（ｃｏ＾－ｃｏｌ）－?－Ｙ＼ｏ２??其中，是介质的固有频率，旋是约束电子密度，是电子质量，《是入射光场角??频率，ｒ是共振宽度，／０９Ｃ是振子的长度。??薄膜材料的折射率为复折射率，即：??Ｎ?＝?ｎ?—?ｉｋ?（１．２）??其中，《是薄膜材料折射率的实部，Ａ是消光系数。??由，再联立式（１．１）和（１＿２）?ｗｊ■得：??ｓ＇?＝?ｎ２?—?ｋ２：?ｓ２?＝?２ｎｋ?（１．３）??则有：??＝?＝?（１．４）??２?２??因此
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本文编号：2862120