激光薄膜耦合损伤问题研究

• 作 者: 孙卫
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 亚表面缺陷 电子束加热蒸发 溶胶-凝胶 激光薄膜 耦合损伤

随着高功率激光技术的不断发展，激光器的输出功率越来越高，也就对光学元器件特别是光学薄膜元件提出了更高要求。光学薄膜元件是激光系统的核心元件，其抗激光损伤性能是影响光学系统稳定性和使用寿命的重要因素之一。通过基底清洗技术、膜系设计、沉积工艺、后处理工艺等系统优化，虽然已经有效地提高了薄膜的激光损伤阈值(LIDT)，但是其LIDT的进一步提高受到了限制。研究表明，激光薄膜损伤常常发生在薄膜与基底界面处，主要原因包括:1）亚表面缺陷在激光作用下存在局域场加强、力学性能下降、吸收增强等现象;2）基底与薄膜界面存在应力失配，界面污染等;3）基底缺陷及亚表面缺陷与薄膜界面耦合。由于基底缺陷及亚表面缺陷与薄膜的耦合作用对薄膜系统损伤行为有很大影响，本文着重研究基底界面固有缺陷，包括在1064nm纳秒激光辐照下的空白基底、电子束蒸发的SiO2单层膜和溶胶-凝胶SiO2单层膜。此外，利用三种不同的清洗方式手工擦洗、超声清洗和酸洗对界面固有缺陷进行调控。　　对空白的熔石英基底而言，后表面更易损伤，且损伤斑呈现以缺陷为中心的同心圆环特征。利用SEM进一步分析，1064nm纳秒激光脉冲辐照下基底表面出现了与入射激光偏振方向垂直的周期性条纹结构，条纹周期在610nm-670nm之间，基本独立于入射能量关系，但周期性结构的深度随入射能量增加而增加。另外，再沉积层及亚表面缺陷的去除在一定程度上很有效的提高了基底的抗激光损伤阈值。基于损伤统计模型，系统分析了空白基底表面诱导缺陷的密度、缺陷阈值等信息。　　采用电子束加热蒸发制备的SiO2单层膜，表面呈现以缺陷为中心的同心圆环特征。损伤斑的尺寸及深度随着辐照激光能量的增加近似呈现线性变化。借助于激光辐照下缺陷诱导等离子体区域上下界面对入射激光反射存在的干涉效应，初步解释了以缺陷为中心的同心圆环的成因。除此之外，基于缺陷诱导损伤的统计模型，系统分析了此类单层膜的缺陷密度和阈值信息。　　溶胶-凝胶法制备的SiO2单层膜，抗激光损伤阈值要比物理膜的高很多，更接近于空白基底的LIDT，表明对于溶胶-凝胶膜而言由于其多孔结构，耦合效应弱。同样分析了溶胶-凝胶膜的损伤形貌，并将其与物理膜对比。基于缺陷诱导损伤统计模型，系统分析了溶胶-凝胶SiO2单层膜表面诱导缺陷的密度、缺陷阈值等信息。