光学介质薄膜的激光损伤特性研究

摘要

光学薄膜元件是激光系统中极其重要的组成部分，对于大功率高能量激光系统来说，激光薄膜的性能一直是限制其向更高能量或更高功率发展的瓶颈之一。同时，薄膜元件也是红外窗口及导弹导引头等的重要组成部分，激光武器对薄膜元件的破坏可能造成光学系统的功能失效。因此，研究薄膜抗激光损伤特性，不断提高其损伤阈值，对改进激光系统，扩展其在科研及生产中的应用，具有重要的实际价值，同时也成为发展激光防卫武器的基础。
　　 本文从材料优化的角度入手，采用搭建的激光损伤阈值测试平台，对多种光学介质薄膜材料的激光损伤特性进行了研究。对光学薄膜损伤机理的研究表明：薄膜材料、厚度、激光波长和脉冲宽度均会影响薄膜的损伤阈值。基于文献分析和对比，结合材料自身的物理特性发现：材料的禁带宽度与激光损伤阈值密切相关，一般禁带宽度越大，损伤阈值越高；对于大多数材料，熔点、机械强度与损伤阈值具有正相关性。采用离子束辅助热蒸发技术，在K9玻璃上制备了单层HfO2、ZrO2和SiO2薄膜。基于1-on-1损伤测试方法、散射光强和相衬显微法损伤评判标准，利用1.064μm调QNd：YAG脉冲激光器，脉宽为10ns，对薄膜的激光损伤阈值和损伤形貌进行了测试，结果表明：沉积这三种薄膜时束流大小是影响损伤阈值的主要因素，HfO2的损伤阈值随着束流的增大先增大后减小；制备的HfO2损伤阈值最大为4.25J/c㎡，退火后的损伤阈值明显提高；损伤形貌分析显示出，在同一激光能量下，HfO2比ZrO2的抗激光损伤能力强。论文还研究了MgF2、BaF2和YF3的激光损伤特性，结果表明：在同一激光能量下，三种氟化物中YF3抗激光损伤能力最强，BaF2薄膜次之，MgF2薄膜的抗激光损伤能力最弱。通过损伤阈值与薄膜镀制工艺关系的研究，得到了HfO2、SiO2、MgF2、BaF2和YF3的最优工艺参数。