预处理技术对类金刚石薄膜光学性能及其激光损伤特性的影响研究

摘要

类金刚石(Diamond-Like Carbon，DLC)薄膜是导弹、卫星等飞行器以及各种车载、机载和舰载等导引系统红外窗口增透保护的理想材料，但大功率激光武器极易造成红外窗口表面DLC薄膜的损伤，导致整个系统失效。因此，急需寻找提高DLC薄膜激光损伤阈值的方法。基于IS011254-1损伤测试系统，首次将离子束后处理技术、外加偏置电场技术引入到DLC薄膜的研究中，找到了改善DLC薄膜光学性能和提高薄膜抗激光损伤能力的新方法;首次系统地从理论上推导了DLC薄膜中光吸收热传导方程和激光冲击波应力产生过程，创新地提出了“热致石墨化应力损伤模型”;研究了驻波场效应、激光预辐照等对DLC薄膜损伤阈值的影响。
　　将离子束流后处理技术引入到DLC薄膜的研究中，采用正交实验，系统地研究了离子束流对DLC薄膜微观结构及光学性能的影响，确定了DLC薄膜离子束流后处理的最佳工艺参数。实验证明:离子束流后处理改善了薄膜的微观结构，sp3杂化键含量明显增大，薄膜的消光系数减小，薄膜表面更加光滑，透过率增大，激光损伤阈值得到提高;对离子束流后处理的物理机制进行了解释，找到了改善DLC薄膜光学性能和提高薄膜抗激光损伤能力的新方法。
　　研究了外加偏置电场对DLC薄膜抗激光损伤能力的影响。研究了不同偏置电场下DLC薄膜的激光损伤测试结果，分析了影响损伤形貌的原因。分析表明:激光辐照薄膜后，薄膜中的缺陷、杂质、自由电子等对激光产生了强吸收。施加横向偏置电场后，在电场的影响下，自由电子发生定向迁移。在电子移动过程中，也转移了电子因吸收激光能量而产生的热累积，间接降低了激光辐照区域的热累积，减缓了“热致石墨化”的过程，提高了薄膜的抗激光损伤能力，这是提高DLC薄膜激光损伤阈值的新途径。
　　基于DLC薄膜存在sp3和sp2杂化“近程有序，远程无序”结构特点，建立了“热致石墨化应力损伤”模型。基于热传导方程，采用汉克变化，计算了DLC薄膜表面和薄膜体内温度场分布。研究表明，由于DLC薄膜的局部热吸收，导致吸收区域热累积和局部热扩散，引起薄膜中的sp3杂化向sp2杂化转换，薄膜的体密度减小，体积开始膨胀，径向压应力增大。当应力大于薄膜的抗拉强度时，薄膜发生损伤。通过减少薄膜表面的杂质和缺陷，提高热传导率，减少激光辐照区域的热累积，可以提高薄膜抗激光损伤能力。
　　论文还研究了不同厚度DLC薄膜内驻波场的分布，对比了驻波场强度与激光损伤阈值的关系，用驻波场理论解释了薄膜厚度与损伤阈值之间的关系。对DLC薄膜进行激光预辐照处理，对强激光作用下DLC薄膜的性能进行了表征。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 DLC薄膜的分类与应用

1．2．1 DLC薄膜的分类

1．2．2 DLC薄膜的应用

1．3 DLC薄膜的沉积技术

1．3．1 脉冲激光沉积法(PLD)

1．3．2 脉冲电弧沉积法(PAD)

1．3．3 离子束沉积法(IBD)

1．3．4 磁控溅射法(MS)

1．3．5 非平衡磁控溅射法(UBMS)

1．4 薄膜激光损伤及预处理技术研究历史及现状

1．4．1 薄膜激光损伤研究历史

1．4．2 DLC薄膜激光损伤研究现状

1．4．3 预处理技术研究历史及现状

1．5 论文主要研究内容

2 薄膜激光损伤阈值的测试及系统标定

2．1 薄膜激光损伤定义

2．2 损伤测试方法

2．2．1 薄膜激光损伤阈值测试方法

2．2．2 测试系统的主要参数

2．3 激光损伤阈值测试系统及主要参数测定

2．3．1 激光损伤阈值测试系统

2．3．2 激光器工作稳定性测量及分析

2．3．3 光斑有效直径测量

2．4 小结

3 DLC薄膜的激光预辐照

3．1 研究方案

3．2 DLC薄膜制备

3．3 薄膜激光辐照实验

3．3．1 激光辐照方案及参数

3．3．2 激光辐照流程

3．4 薄膜光学特性参数测量

3．4．1 辐照前光学特性一致性比较

3．4．2 激光辐照对薄膜透射率的影响

3．4．3 激光辐照对折射率和消光系数的影响

3．5 薄膜抗激光损伤能力变化

3．6 实验结果讨论

3．7 小结

4 DLC薄膜的离子束流后处理

4．1 离子束流处理技术

4．1．1 镀前处理及辅助沉积

4．1．2 离子束流后处理

4．2 技术路线及实验

4．2．1 技术路线

4．2．2 实验

4．3 离子束流后处理影响因素研究

4．3．1 后处理方案

4．3．2 辅助气体选择及参数确定

4．3．3 测试及极差分析

4．4 离子束流后处理实验

4．4．1 对折射率和消光系数的影响

4．4．2 对DLC薄膜红外透射光谱的影响

4．4．3 对DLC薄膜表面粗糙度的影响

4．5 激光损伤测试

4．6 实验结果讨论

4．7 小结

5 偏置电场下DLC薄膜激光损伤

5．1 样品制备

5．2 损伤测试

5．3 实验及结果

5．4 外加偏置电场对DLC薄膜损伤形貌影响分析

5．4．1 DLC薄膜的热致石墨化

5．4．2 外加电场下的电子迁移

5．5 小结

6 DLC薄膜驻波场损伤特性研究

6．1 不同厚度DLC薄膜内部的场强分布

6．1．1 样品制备

6．1．2 样片光学常数测量及损伤测试

6．1．3 归一化电场计算

6．1．4 归一化电场与损伤阈值关系

6．2 对比实验

6．2．1 MgF2样片的制备

6．2．2 MgF2薄膜的损伤测试结果及分析

6．3 实验结果及讨论

6．4 小结

7 DLC薄膜激光损伤机理分析

7．1 DLC薄膜的微观表征

7．2 损伤机理

7．2．1 DLC薄膜光吸收热传导方程

7．2．2 数值计算基本参量

7．3 激光辐照DLC薄膜温度场和热扩散

7．4 热致石墨化应力损伤

7．4．1 DLC激光辐照引起的热应力

7．4．2 薄膜宏观应力分布

7．4．3 激光冲击波应力产生过程

7．4．4 DLC薄膜热致应力损伤过程

7．5 小结

8 结论及后续工作展望

8．1 结论

8．2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间承担的科研任务及研究成果