梯度折射率高反膜的制备及其激光损伤特性研究
发布时间：2020-11-01 16:07
随着近年来惯性约束聚变(Inertially Confined Fusion, ICF)实验的开展,提高激光系统光学元件的抗激光损伤能力,从而使激光系统达到更高的功率密度是目前实现可控核聚变急需解决的主要问题之一。出于实现激光系统稳定、可靠地输出高功率激光的需要,研究光学薄膜的激光破坏机制以及如何提高激光损伤阈值已经显得尤为重要。采用混合膜法制备的梯度折射率薄膜由于其物理特性沿着膜厚逐渐变化的特点,平滑了膜层间材料的跃变,在提高薄膜附着力、减少残余应力等方面有着理想的应用前景,近年来在高功率激光薄膜的前沿研究中也展示出了巨大的应用潜能。 本文的主要内容是利用离子束溅射双元拼接靶的路线探索了制备梯度折射率薄膜的方法,并对其激光损伤特性进行了较为细致的研究。针对国外高功率激光薄膜的研究前沿,我们在Rugate薄膜的初始设计上优化中心波长处反射率得到了梯度折射率高反膜；确定了采用双元拼接靶离子束溅射得到的SiO2/Ta2O5混合材料折射率校正曲线,并在此基础上利用宽带光谱厚度监控制备了梯度折射率高反薄膜样品。对梯度折射率高反薄膜和传统λ/4规整高反膜的损伤几率曲线和损伤形貌进行了对比。结果显示：梯度折射率高反膜的零几率损伤阈值达到了传统λ/4规整高反膜现有的能量密度负载能力,其损伤类型主要是节瘤缺陷喷溅导致的烧蚀斑,并且抑制了层状剥落的热应力型损伤,在多脉冲的作用下其损伤发展也较为稳定,显示出在高功率激光系统中的应用潜力。对混合SiO2/Ta2O5单层膜的研究表明：随着混合材料中SiO2含量的增加,损伤的附带影响区域减小,混合膜层材料的损伤特性得到了一定程度上的改善,是梯度折射率薄膜损伤改善的原因之一。并指出了梯度式设计对热物性参数的平滑作用是抑制膜层脱落的重要因素。 本文的研究表明：利用双元拼接靶离子束溅射的方法,通过两种材料的均匀混合,可以根据折射率校正曲线获得特定折射率材料,从而在宽带光谱厚度监控下制备梯度折射率薄膜。梯度折射率的设计方式抑制了层状剥落这种灾难性损伤的出现,在一定程度上改善了元件的损伤特性。本课题的研究为提高激光薄膜损伤性能提供了新的思路,对于提高激光系统的输出功率和稳定性具有重要的意义。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TL632
【部分图文】：
Livermore National Laboratory, LLNL)近期使用全世界最先进的激光核聚变装置 国家点火设施（National Ignition Facility，NIF)在全世界范围内首次实现了聚变释放出的能量大于输入到燃料祀丸内的能量，给实现受控核聚变带来了希望⑴。目前实现可控核聚变有两种途径：一是基于主流大型托卡马克装置（Tokamak)的磁约束核聚变研究路线，另一种技术路线则是包括以激光驱动为主要研究方向的惯性约束核聚变。美国NIF采用的即是后一种激光惯性约束核聚变的技术路线，采用同样技术路线的还有法国的兆焦耳激光装置（Laser IV^gaJoule，LMJ)等。激光驱动惯性约束核聚变的基本原理是：使用高功率的脉冲激光聚焦到含有氖氣燃料的微型祀丸上，使燃料以极高的速度对称均匀地压缩至相当高的密度并且达到热核燃烧所需要的高温，核聚变反应需要在一定的惯性约束时间内完成，达到释放出大量的聚变能量的目的[2]。Nff用于“点火”的高功率激光系统是目前世界范围内能够提供最高功率和最大能量输出的激光系统。在激光约束核聚变研究中，对于应用于这样高功率激光系统中的光学元件（如光学玻璃、光学晶体、光学薄膜等），必须要求在长时间范围内能够稳定地工作，且系统的性能不能产生明显的降低。
处的吸收损耗也越大，也越容易产生损伤。对于高反膜来说，驻波场能量大部分集中在膜层表面的几个膜对（如图1.2 (a)所示），高反膜的能量沉积集中在表面几层。因此，对于高反膜抗激光损伤性能提高的问题，表面层的设计尤为重要。对于传统用高低两种折射率材料交替堆叠组成的四分之一波长的高反射膜，电场峰值通常出现在两种膜料的强吸收界面处。1989年Ristan提出通过改变前2个膜对中高低折射率膜层的厚度，使得电场峰值偏离强界面处[5】。尽管低折射率材料层中电场强度有所增加，但低折射率材料的吸收系数较低，因此膜层仍可取得较高的损伤阈值。B?dluk: Angla: 0.0 B*dlu?: JLIK isgl*: 0.0SubnrM*: CLASS V*v*l?n9t.h; ￡SO.O (?) Subtcma: CLASS V?v?lttn0th: SSO.O <M>Islt: CLJLS8 PolaxixKioB： S P — I?i?: CLASS PolulsMicxa; S P t. 0 r f r r Z.Ot 1 y r "i—r "i r 1 l.S l.S 1.0 1.0 - +-\- ：細細...I.....n.....11.....rl1:1 棚删-11.....1114 12 10 8 ? 4 2 8 14 12 10 6 ? 4 X SIS 13 11 9 7 ? 9 1 IS 13 11 9 7 5 3 IBorulis?d tl?e?rlc fiald latwtCT (SquArad) HenMlts?d IXaetrle ri?ld Ineensley (SquArad)(a)驻波场优化前高反模内电场分布 （b)驻波场优化后高反族内电场分布图1.2高反膜驻波场优化示意图1982年，Mansuripur等人在驻波场的基础上
梯度折射率高反膜的制备及其激光损伤特性研究度场模型度场理论的基本思路是：从薄膜特征矩阵出发推导出多层膜中电场吸收，各层膜都成为热源，并根据热传导方程计算含热源的膜层内温温度场基础上根据热一力稱合方程，由温度场计算膜层中的热应力。特定光学性能的光学薄膜，不含缺陷的理想多层膜是由按照一定规律具有平行界面的各种材料所组成的层状复合结构。理想多层膜的结构
【参考文献】
本文编号：2865773
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TL632
【部分图文】：
Livermore National Laboratory, LLNL)近期使用全世界最先进的激光核聚变装置 国家点火设施（National Ignition Facility，NIF)在全世界范围内首次实现了聚变释放出的能量大于输入到燃料祀丸内的能量，给实现受控核聚变带来了希望⑴。目前实现可控核聚变有两种途径：一是基于主流大型托卡马克装置（Tokamak)的磁约束核聚变研究路线，另一种技术路线则是包括以激光驱动为主要研究方向的惯性约束核聚变。美国NIF采用的即是后一种激光惯性约束核聚变的技术路线，采用同样技术路线的还有法国的兆焦耳激光装置（Laser IV^gaJoule，LMJ)等。激光驱动惯性约束核聚变的基本原理是：使用高功率的脉冲激光聚焦到含有氖氣燃料的微型祀丸上，使燃料以极高的速度对称均匀地压缩至相当高的密度并且达到热核燃烧所需要的高温，核聚变反应需要在一定的惯性约束时间内完成，达到释放出大量的聚变能量的目的[2]。Nff用于“点火”的高功率激光系统是目前世界范围内能够提供最高功率和最大能量输出的激光系统。在激光约束核聚变研究中，对于应用于这样高功率激光系统中的光学元件（如光学玻璃、光学晶体、光学薄膜等），必须要求在长时间范围内能够稳定地工作，且系统的性能不能产生明显的降低。
处的吸收损耗也越大，也越容易产生损伤。对于高反膜来说，驻波场能量大部分集中在膜层表面的几个膜对（如图1.2 (a)所示），高反膜的能量沉积集中在表面几层。因此，对于高反膜抗激光损伤性能提高的问题，表面层的设计尤为重要。对于传统用高低两种折射率材料交替堆叠组成的四分之一波长的高反射膜，电场峰值通常出现在两种膜料的强吸收界面处。1989年Ristan提出通过改变前2个膜对中高低折射率膜层的厚度，使得电场峰值偏离强界面处[5】。尽管低折射率材料层中电场强度有所增加，但低折射率材料的吸收系数较低，因此膜层仍可取得较高的损伤阈值。B?dluk: Angla: 0.0 B*dlu?: JLIK isgl*: 0.0SubnrM*: CLASS V*v*l?n9t.h; ￡SO.O (?) Subtcma: CLASS V?v?lttn0th: SSO.O <M>Islt: CLJLS8 PolaxixKioB： S P — I?i?: CLASS PolulsMicxa; S P t. 0 r f r r Z.Ot 1 y r "i—r "i r 1 l.S l.S 1.0 1.0 - +-\- ：細細...I.....n.....11.....rl1:1 棚删-11.....1114 12 10 8 ? 4 2 8 14 12 10 6 ? 4 X SIS 13 11 9 7 ? 9 1 IS 13 11 9 7 5 3 IBorulis?d tl?e?rlc fiald latwtCT (SquArad) HenMlts?d IXaetrle ri?ld Ineensley (SquArad)(a)驻波场优化前高反模内电场分布 （b)驻波场优化后高反族内电场分布图1.2高反膜驻波场优化示意图1982年，Mansuripur等人在驻波场的基础上
梯度折射率高反膜的制备及其激光损伤特性研究度场模型度场理论的基本思路是：从薄膜特征矩阵出发推导出多层膜中电场吸收，各层膜都成为热源，并根据热传导方程计算含热源的膜层内温温度场基础上根据热一力稱合方程，由温度场计算膜层中的热应力。特定光学性能的光学薄膜，不含缺陷的理想多层膜是由按照一定规律具有平行界面的各种材料所组成的层状复合结构。理想多层膜的结构
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 赵强,范正修;光学薄膜界面吸收对温度场的影响[J];光学学报;1996年06期
2 赵强,范正修,王之江;激光对光学薄膜加热过程的数值分析[J];光学学报;1999年08期
3 林尊琪;;激光核聚变的发展(邀请论文)[J];中国激光;2010年09期
4 龚辉，李成富，王明利;激光对光学薄膜损伤的热冲击效应[J];中国激光;1996年03期
5 郭少锋,陆启生,程湘爱,江厚满,曾学文;光学材料的激光损伤形态研究[J];强激光与粒子束;2002年02期
本文编号：2865773
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