毫秒脈沖激光致薄膜光學元件損傷特性測試與數(shù)值分析.pdf

1、光學薄膜是光學系統(tǒng)中非常重要而又脆弱的元件，本文通過理論推導、數(shù)值模擬以及實驗等方式對毫秒激光作用下光學薄膜損傷及作用機理進行了研究，進而闡述了毫秒激光損傷過程的特點。
　　 研究了毫秒激光作用下電場分布對膜層溫度和應力的影響。從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導了膜層中電場的分布，并根據(jù)傳熱學和有限元法，建立了毫秒激光輻照光學薄膜的理想模型。計算了膜層內的溫度分布及應力分布，并分析了局部電場增強對溫度分布的影響。計算結果表明：在毫秒激光

2、作用下熱傳導弱化了電場增強效應對溫度的強化效應，膜層內部的溫度分布更為平均，駐波場的存在并不會大幅度降低理想光學薄膜的損傷閾值。
　　 在考慮薄膜內電場分布的前提下，建立了毫秒激光輻照光學薄膜的缺陷模型。計算了不同填埋深度、不同大小的缺陷所引起的溫度場，分析了陷填埋深度以及大小對溫度場的影響。結果表明：毫秒激光作用下膜層內部的缺陷降低了薄膜的損傷閾值，且缺陷越大、缺陷所處位置的電場越強膜層越容易被損傷。
　　 針對毫秒激

3、光致使兩種典型光學薄膜的損傷特性，根據(jù)ISO-11254對損傷閾值進行了測量，并對其閾值附近的損傷形貌進行了顯微分析和研究。研究了不同厚度單層膜的損傷特性，得到了損傷閾值與膜層厚度之間關系。毫秒激光作用下，影響TiO2/SiO2膜損傷閾值的主要為TiO2，膜層的損傷閾值隨著膜層中TiO2膜的厚度的增加而減小。膜層越厚，單位面積內含有缺陷或雜質的概率越高，數(shù)量越多，這是損傷閾值隨厚度增加減小的最要原因。
　　 在研究高能量密度激光

4、作用下光學薄膜的損傷情況時，發(fā)現(xiàn)毫秒激光不僅對光學薄膜的膜層造成損傷，而且在其基底內部造成了毀滅性的破壞。即在毫秒激光作用下，膜層的基底上形成了錐形孔，進而對孔的大小和深度與作用激光能量密度之間的關系進行了分析和討論。實驗結果表明：當激光能量密度增加至2×104J/cm2以上時錐形孔的深度將不再發(fā)生變化，激光輻照區(qū)域形成的物質蒸汽能夠吸收部分激光的能量，從而降低了激光對基底的破壞效果。
　　 通過實驗比較了毫秒和納秒激光對光學薄

5、膜的損傷，得到了其損傷閾值以及損傷形貌，結果表明毫秒激光引起的光學薄膜的損傷與短脈沖激光引起的損傷存在顯著的差異。根據(jù)毫秒激光引起的損傷結果，認為膜層的損傷有可能是由缺陷引起的，且閾值附近損傷深度為200μm左右；對于短脈沖激光而言，認為損傷主要是由雪崩電離引起的，且其損傷深度僅為百mm量級。進而基于傳熱學理論建立不同脈寬激光輻照光學薄膜的理想模型，計算了膜層損傷過程中的溫度分布，結果表明毫秒激光作用下，光學薄膜的損傷區(qū)域要遠大于短脈沖