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光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用及性能要求
日期：2024-12-26 12:33
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摘要：光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用及性能要求
光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用及性能要求
摘要：光學(xué)薄膜是激光系統(tǒng)中非常重要而又*容易損傷的薄弱環(huán)節(jié)。因此研究光學(xué)薄膜的激光破壞機(jī)制，如何提高激光損傷閾值，具有重要的實際意義。本文首先分析了激光與薄膜材料的相互作用，并從微觀和宏觀方面較為**的闡述了光學(xué)薄膜激光損傷機(jī)理，結(jié)合文獻(xiàn)給出的實驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地從激光和薄膜自身兩個方面介紹了影響薄膜激光損傷閾值的因素，并為如何提高光學(xué)薄膜激光損傷閾值提出了建議。關(guān)鍵字：激光損傷；光學(xué)薄膜；損傷閾值
1.引言
光學(xué)薄膜是激光發(fā)展過程中極重要的一環(huán)，業(yè)內(nèi)通常用“燈、棒、膜”來形象地概括激光器的抽運能源、工作物質(zhì)及諧振腔三大基本構(gòu)件[1]，其中的抽運能源和工作物質(zhì)隨著激光器的不同而千變?nèi)f化。對于激光器的種類，或者激光技術(shù)的發(fā)展及變化，光學(xué)薄膜都是關(guān)鍵元件。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)薄膜的性能、種類、結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出百花齊放的局面，尤其是激光核聚變高功率激光系統(tǒng)，對光學(xué)薄膜的光學(xué)性能嚴(yán)格要求，而且要求其在全口徑范圍內(nèi)具有超強(qiáng)的抗激光損傷閾值。光學(xué)薄膜的損傷閾值是限制激光器輸出強(qiáng)度并危及激光系統(tǒng)**運行的重要因素[2]。光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)激光測距望遠(yuǎn)鏡的成像和測距過程中的應(yīng)用，重點分析光學(xué)薄膜的膜層的光學(xué)特性和物理特性，近年來隨著激光技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)了一些新型薄膜元件，譬如超短脈沖激光所需的啁啾薄膜、脈沖壓縮用的光柵薄膜、光強(qiáng)空間分布調(diào)整用的高斯反射膜、全固化光技術(shù)用的多波長薄膜等。對激光系統(tǒng)來說，無論哪種薄膜都有共同的要求：高激光損傷閾值和理想的光學(xué)性能。
2.光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用
光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)，我們以激光測距望遠(yuǎn)鏡為例，光學(xué)薄膜在激光測距望眼鏡的成像和測距過程中起著關(guān)鍵的作用，膜層的光學(xué)特性和物理特性都直接影響望遠(yuǎn)鏡的成像性能及測距精度。激光測距望遠(yuǎn)鏡的各種膜系的理論設(shè)計雖然重要，但工藝制作也很重要，要把工藝制作和實際相結(jié)合，綜合考慮膜料特性、蒸鍍方法、制備參數(shù)等因素，力求得到光學(xué)性能穩(wěn)定、膜層牢固、抗腐蝕及抗激光性能良好的上等薄膜[3]。
激光測距望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)示意激光測距望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)接收光線示意圖[4]如圖1 .1所示。激光由激光器發(fā)出，經(jīng)物體反射后返回，經(jīng)物鏡進(jìn)入系統(tǒng)，由棱鏡分光，進(jìn)入光電接收器進(jìn)行處理后顯示距離。同時，根據(jù)望遠(yuǎn)鏡原理，物體成像可由目鏡進(jìn)行觀察。由圖可知，光學(xué)薄膜對觀察物體和測距都起著非常重要的作用。
圖1.1激光測距望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)接收光線示意圖在激光測距望遠(yuǎn)鏡中，紅外點增透膜的作用是增強(qiáng)紅外激光的透過率，減少激光能量的損失，從而使光電接收器的計數(shù)更為準(zhǔn)確。它鍍在棱鏡靠近光電接收器的一面。
可見光寬帶增透膜是目視觀察儀器中必備的一種膜層，它的主要作用是降低光學(xué)零件的表面剩余反射光，從而增強(qiáng)光的透過率，以達(dá)到清晰的觀察效果的目的。在激光測距望遠(yuǎn)鏡中，寬帶增透膜鍍在觀察目鏡上。
干涉截止濾光膜[5]的主要作用是既讓可見光反射，又讓激光透射，使一起進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的可見光和激光分離，便于人眼直接觀察到可見光，激光進(jìn)入光電接收系統(tǒng)進(jìn)行計數(shù)以計算距離值。干涉截止濾光膜是實現(xiàn)觀察物體和測距的關(guān)鍵，也是激光測距望遠(yuǎn)鏡制造難度*大的部分。如圖1 所示，可見光和紅外光同時到達(dá)棱鏡，干涉截止濾光膜將可見光全部反射，而讓紅外光全部透過，這樣既滿足了人眼觀察要求，也滿足了測光測距功能，因此，干涉截止濾光膜的性能好壞將直接影響整個光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和測距精度。
3.光學(xué)薄膜損傷閾值的影響因素
激光元件的損害問題對激光功率水平的提高有著相當(dāng)重要的影響，而光學(xué)元件中的光學(xué)薄膜卻*是容易受到激光照射的損壞，所以為減小激光對光學(xué)薄膜的損害，毫無疑問，我們要做的就是提高光學(xué)薄膜的抗損害閾值，增加其使用壽命。光學(xué)薄膜的種類有增透膜，反射膜，干涉濾波片，其中增透膜在光學(xué)系統(tǒng)的*外面，在激光系統(tǒng)中易受損傷。隨著對激光輸出功率和能量要求不斷的提高，關(guān)于光學(xué)薄膜的強(qiáng)激光損傷與抗激光損傷的研究近年在國內(nèi)外一直很熱，各界人士千方百計提高光學(xué)薄膜的損傷網(wǎng)值。為不斷提高其抗激光強(qiáng)度的*大值，并改進(jìn)激光系統(tǒng)，于是對光學(xué)薄膜的光譜性能有著較高的要求。此外，在**方面，應(yīng)用強(qiáng)激光武器對光學(xué)薄膜元件的破壞可以造成航天飛行器的致眩、致盲、失控，甚至于系統(tǒng)的整體失效[6]。
關(guān)于激光對薄膜損傷的研究*重要的就是要找到造成薄膜損傷的原因和機(jī)理，在強(qiáng)相干輻射作用下，薄膜會產(chǎn)生的一些無法用經(jīng)典薄膜光學(xué)理論進(jìn)行解釋的現(xiàn)象。所以我們通過分析薄膜與強(qiáng)激光相互作用的過程及結(jié)果，具有重要的學(xué)術(shù)意義。激光對光學(xué)薄膜的損傷是一個復(fù)雜的過程，它與激光的波長、脈寬、偏振態(tài)、模式、光斑、輻照方式以及光學(xué)薄膜的光學(xué)特性、膜料、制備工藝、薄膜結(jié)構(gòu)、缺陷密度等多方面決定。同時，在**領(lǐng)域，強(qiáng)激光對光學(xué)元件尤其是光學(xué)薄膜的破壞成為激光反導(dǎo)彈、激光反衛(wèi)星的重要攻擊方式。
3.1激光影響因素
通過實驗數(shù)據(jù)對比分析，我們分別從激光的波長，光斑尺寸，激光脈寬，多脈沖激光，以及激光模式對光學(xué)薄膜的激光損傷閾值進(jìn)行分析。
（1）激光波長
我們知道激光的波長與其能量是有很大關(guān)系的，所以考慮到光學(xué)薄模的損傷閾值，我們得出激光的波長也是研究的重點。通過實驗我們會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)光學(xué)薄膜存在“波長效應(yīng)”，就是當(dāng)波長的減小時光學(xué)薄膜的激光損傷閾值會呈一定比例的下降，即短波長激光更容易造成薄膜元件的損傷。當(dāng)然這種波長效應(yīng)并不是在所有的光學(xué)薄膜上都很明顯，甚至結(jié)論相反。例如對于脈寬為15ns 的激光脈沖，當(dāng)波長從1064nm 倍頻至532nm 時，除MgO薄膜外，所有的薄膜的損傷閾值均有所降低。
（2）光斑尺寸
光學(xué)薄膜對于強(qiáng)激光的輻射，通過實驗發(fā)現(xiàn)，輻照激光束光斑越小，光學(xué)薄膜所能承受的損傷范圍越大，即激光對薄膜的損傷閾值具有所謂的“光斑效應(yīng)”。在當(dāng)前的研究中人們認(rèn)為“光斑效應(yīng)”是雜質(zhì)吸收引起的，因光學(xué)材料在加工過程中總會使雜質(zhì)摻雜進(jìn)去，從而在較大程度上吸收了激光。實驗表明，強(qiáng)激光輻射薄膜時光斑效應(yīng)的大小與薄膜中雜質(zhì)分布的疏密有關(guān)。當(dāng)改變?nèi)肷浼す馐墓獍叱叽鐣r，激光輻射到薄膜雜質(zhì)部分的幾率將改變，從而改變了激光損傷閾值。實驗中，對于同一塊薄膜，輻射激光的光斑越大，雜質(zhì)缺陷落入輻照區(qū)的幾率就越高，損傷閾值就越低，當(dāng)光斑大到一定程度，在光斑內(nèi)總是存在容易破壞的缺陷，則破壞閾值就穩(wěn)定在缺陷的破壞閾值上。此外，在光斑大小不同的情況下，保持激光照射能量密度的相同，我們發(fā)現(xiàn)激光在光斑內(nèi)能量沉積的總和是不一樣的，這導(dǎo)致了薄膜內(nèi)溫度場的分布不均，在大光斑內(nèi)雜質(zhì)吸收的激光輻射溫度*大值高于小光斑內(nèi)的溫度*大值，這也就導(dǎo)致了薄膜破壞閾值的降低。
（3）激光脈寬
通過觀察總結(jié)，研究人員得出，通常情況下，隨著激光脈寬的減小，激光對薄膜的損傷愈不理想，即光學(xué)薄膜激光損傷閾值越小，我們稱之為脈寬效應(yīng)。所以激光脈寬是影響薄膜損傷閾值的重要參數(shù)，因為脈寬越短，激光功率就越高，激光對材料的損傷越大，薄膜損傷閾值也就越低。表示為：
Ith是激光功率損傷閾值，tp是激光脈寬，一般來說，m的取值與所選材料，制備工藝以及膜系的不同有關(guān)，其選擇范圍為0.3<m<0.5，典型的m 取值在0.35 附近。當(dāng)然，同一薄膜對于不同的激光波長和脈沖寬度，其規(guī)律也不一樣。
（4）多脈沖激光
在通常情況下，隨著激光脈沖個數(shù)的增多，激光損傷閾值會減小。而多脈沖激光對光學(xué)薄膜的損傷規(guī)律也和單脈沖有所不同。中國科學(xué)院上海光機(jī)所高衛(wèi)東博士通過實驗測定在單脈沖激光作用下HfO2/SiO2高反膜的損傷閾值為16.8J/cm2，在多脈沖激光作用下， HfO2/SiO2的損傷閾值如表3.1 所示。
通過圖表我們知道隨著脈沖數(shù)的增加HfO2/SiO2高反膜的損傷閾值出現(xiàn)了明顯的下降。
多脈沖激光對薄膜損傷閾值的影響有兩種解釋：一種認(rèn)為多脈沖激光損傷是薄膜材料內(nèi)部的微觀缺陷吸收激光能量后的非線性發(fā)展積累過程。薄膜上因工藝制作而有不可避免的微觀缺陷，缺陷吸收激光照射能量效率更高，于是在材料內(nèi)部形成局部高溫，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時，材料缺陷處就會熱爆炸、電子崩電離等過程，從而使缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大。每個微觀缺陷的發(fā)展和爆炸，都將增加對后續(xù)激光的脈沖的吸收，并導(dǎo)致更大的微觀損傷的發(fā)生，*終導(dǎo)致薄膜元件破壞性的損傷。另一種說法是多脈沖激光損傷是一個熱積累過程，隨著脈沖數(shù)的逐步增加，能量也逐步增加，從而使薄膜輻照區(qū)溫度升高，當(dāng)溫升達(dá)到一定程度時，就會使得材料在宏觀上表現(xiàn)出破壞。當(dāng)然脈沖強(qiáng)度不能低于*小值，否則再多的激光脈沖也不會對材料產(chǎn)生損傷。
（5）激光模式
一般來說，用多模激光照射光學(xué)薄膜時，薄膜材料的損傷閾值要比在單模激光的情況下低得多。當(dāng)激光束偏振狀態(tài)以及入射角不同時，損傷閾值也可能會有很大不同。
3.2薄膜影響因素
（1）薄膜材料特性
關(guān)于薄膜材料的選擇，我們會考慮其光學(xué)性能（折射率、消光系數(shù)、高低折射率的配比），機(jī)械性能（彈性模量、累積應(yīng)力、機(jī)械牢固度等）。這些參數(shù)考慮對薄膜元件的性能和損傷閾值將產(chǎn)生直接影響。在薄膜的光學(xué)特性方面，選擇高低折射率差值越大的材料組合，設(shè)計和制備的光學(xué)薄膜的層數(shù)就越少。對于薄膜的機(jī)械特性來說，薄膜材料的比熱容、熱導(dǎo)率、熱膨脹、熔點以及彈性模量則更重要，這些因素直接決定了薄膜在激光溫度場和電場中的特性。對于抗激光薄膜材料來說，一般地，我們偏向于對激光能量吸收小、熱傳導(dǎo)快、熱容大的薄膜材料。常用鍍膜材料的部分物理參數(shù)如表3.2 所示。
4.結(jié)論
薄膜在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中扮演著重要的角色，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，薄膜在這個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。因激光向著產(chǎn)業(yè)化方面的發(fā)展，所以光學(xué)薄膜也正從實驗室過渡到批量生產(chǎn)，走向產(chǎn)業(yè)化工業(yè)化生產(chǎn)，這就使得薄膜工作者要考慮材料、工藝、可靠性及成品率，來適應(yīng)生產(chǎn)的需要。文章重點介紹了影響光學(xué)薄膜受激光照射使其損傷的閾值因素，在激光技術(shù)中，我們應(yīng)用較多的光學(xué)薄膜是增透膜，反射膜，干涉濾波片。而且隨著激光能量的增加，制備高損傷閾值的光學(xué)薄膜是激光薄膜研究的重點。文章還介紹了光學(xué)薄膜在激光測距望遠(yuǎn)鏡成像和測距過程中關(guān)鍵的作用，以及在固體激光器中的應(yīng)用，膜層的光學(xué)特性和物理特性都直接影響望遠(yuǎn)鏡的成像性能及測距精度。激光測距望遠(yuǎn)鏡的各種膜系的理論設(shè)計固然重要，但工藝制作也不容忽視，因此工藝制作應(yīng)與實際相結(jié)合，綜合考慮膜料特性、蒸鍍方法、制備參數(shù)等因素，力求得到光學(xué)性能穩(wěn)定、膜層牢固、抗腐蝕及抗激光性能良好的上等薄膜。
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