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随着激光系统在真空和空间领域的广泛应用,大量的光学薄膜元件将工作在真空环境或者特殊气氛下。作为激光系统中的关键部件,光学薄膜是激光系统中非常重要而又最易损伤的薄弱环节。为此本文较系统的研究了在纳秒脉冲激光作用下光学薄膜在真空环境或特殊气氛下的损伤特性及损伤机制。具体来说有以下几个方面:
介绍了用于真空环境下光学薄膜损伤测量的实验系统,并对光学薄膜损伤测量的方法、损伤阈值的定义及损伤的判定进行了详细的讨论,为科学、客观、深入的研究真空环境下光学薄膜的损伤规律及损伤机理奠定了基础。
比较研究了电子束沉积的薄膜在大气环境和真空环境下的单脉冲及多脉冲损伤特性。结果显示相对于大气环境,电子束沉积的光学薄膜其真空环境下的损伤阈值降低,真空环境下的多脉冲累积损伤效应更加明显,真空环境下的损伤形貌也与大气环境下的损伤形貌有显著差异。研究了环境气氛和气压对真空环境下光学薄膜损伤的影响。结果显示在真空环境中存入少量的氮气、氧气、氦气后,薄膜的损伤阈值都得到不同程度的提高,但存入气体的种类及气压不同,损伤阈值与破斑形貌也不尽相同。
分析了真空环境中光学薄膜的本征损伤机制。首先通过有限元方法分析了气体热传导对真空环境下光学薄膜损伤的影响,分析表明气体热传导差异不是大气环境与真空环境损伤差异的原因。其次,建立了多孔薄膜的堆积密度与薄膜热导率的变化关系,从热力损伤过程及缺陷诱导损伤过程分析了电子束沉积的多孔薄膜真空过程中的本征损伤机制---由膜层堆积密度及折射率的变化诱导的膜层热导率的变化对损伤的影响关系。
研究了真空环境下有机污染诱导光学薄膜的损伤特性及机制。首先分析了不同的有机污染物以及不同的有机污染模式对真空环境下光学薄膜损伤的影响,结果显示不同的液相污染物在样品表面的吸附形态不同从而导致不同的损伤结果;不同的有机污染模式对膜层损伤有着不同的结果。其次分析了真空环境下长期的放气污染对薄膜损伤的影响,结果显示长期的放气污染导致薄膜损伤阈值极大的降低,缺陷与吸附污染物的相互耦合可能是有机污染诱导薄膜损伤阈值降低的原因。
研究了两种后处理方式---热退火及激光预处理对真空环境下光学薄膜损伤的影响。研究显示退火过程通过改善薄膜的光学特性、结构特性及应力特性,从而改善了真空环境下光学薄膜的抗激光损伤能力。不同环境下的激光预处理对光学薄膜的抗激光损伤有着截然不同的结果,真空环境下的激光预处理降低了薄膜真空环境中的损伤阈值,而大气环境下的激光预处理可以有效提高样品在真空环境下的抗激光损伤能力。