光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用與性能要求內(nèi)容

1、7/7光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用與性能要求摘要：光學(xué)薄膜是激光系統(tǒng)中非常重要而又最容易損傷的薄弱環(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(shí)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全面的闡述了光學(xué)薄膜激光損傷機(jī)理，結(jié)合文獻(xiàn)給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地從激光和薄膜自身兩個(gè)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A(chǔ)pplication and performance requirements of optical coating in laser systemAbst

2、ract：optical coatingis a very important and easily damaged weak link in laser system. It has important practical significance that how to improve the laser damage threshold and the study of laser damage mechanism of optical films. At first, this paper analyzes the interaction of laser and film mater

3、ials, it is comprehensively described from the micro and macro aspects about the laser damage mechanism of optical films, combined with the experimental data given in the literature, the paper introduces the factors affecting the film laser damage threshold, and puts forward some suggestions on how

4、to improve the laser induced damage threshold of optical thin filmssystematically fromlaser and the film itself.Keywords:Laser damage; optical coating; damage threshold1.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)通常用“燈、棒、膜”來形象地概括激光器的抽運(yùn)能源、工作物質(zhì)與諧振腔三大基本構(gòu)件1，其中的抽運(yùn)能源和工作物質(zhì)隨著激光器的不同而千變?nèi)f化。對(duì)于激光器的種類，或者激光技術(shù)的發(fā)展與變化，光學(xué)薄膜都是關(guān)鍵元件。隨著激光技術(shù)的發(fā)

5、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(duì)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圍具有超強(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)度并危與激光系統(tǒng)安全運(yùn)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(diǎn)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(duì)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)

6、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)鏡的成像性能與測距精度。激光測距望遠(yuǎn)鏡的各種膜系的理論設(shè)計(jì)雖然重要，但工藝制作也很重要，要把工藝制作和實(shí)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、抗腐蝕與抗激光性能良好的優(yōu)質(zhì)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(shí)，根據(jù)望遠(yuǎn)鏡原理，物體成像可由

7、目鏡進(jìn)行觀察。由圖可知，光學(xué)薄膜對(duì)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(diǎn)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(jì)數(shù)更為準(zhǔn)確。它鍍?cè)诶忡R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?cè)谟^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

8、計(jì)數(shù)以計(jì)算距離值。干涉截止濾光膜是實(shí)現(xiàn)觀察物體和測距的關(guān)鍵，也是激光測距望遠(yuǎn)鏡制造難度最大的部分。如圖 1 所示，可見光和紅外光同時(shí)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(gè)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(duì)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)薄膜卻最是容易受到激光照射的損壞，所以為減小激光對(duì)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

9、中增透膜在光學(xué)系統(tǒng)的最外面，在激光系統(tǒng)中易受損傷。隨著對(duì)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外一直很熱，各界人士千方百計(jì)提高光學(xué)薄膜的損傷網(wǎng)值。為不斷提高其抗激光強(qiáng)度的最大值，并改進(jìn)激光系統(tǒng)，于是對(duì)光學(xué)薄膜的光譜性能有著較高的要求。此外，在軍事方面，應(yīng)用強(qiáng)激光武器對(duì)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(duì)薄膜損傷的研究最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(huì)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與結(jié)果，具有重要的學(xué)術(shù)

10、意義。激光對(duì)光學(xué)薄膜的損傷是一個(gè)復(fù)雜的過程，它與激光的波長、脈寬、偏振態(tài)、模式、光斑、輻照方式以與光學(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(shí)，在軍事領(lǐng)域，強(qiáng)激光對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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，以與激光模式對(duì)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(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)我們會(huì)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(shí)光學(xué)薄

11、膜的激光損傷閾值會(huì)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(duì)于脈寬為 15ns 的激光脈沖，當(dāng)波長從 1064nm 倍頻至 532nm 時(shí)，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(duì)于強(qiáng)激光的輻射，通過實(shí)驗(yàn)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圍越大，即激光對(duì)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(huì)使雜質(zhì)摻雜進(jìn)去，從而在較大程度上吸收了激光。實(shí)驗(yàn)表明，強(qiáng)激光輻射薄膜時(shí)光斑效應(yīng)的大小與薄膜中雜

12、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(shí)，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(shí)驗(yàn)中，對(duì)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一樣，我們發(fā)現(xiàn)激光在光斑能量沉積的總和是不一樣的，這導(dǎo)致了薄膜溫度場的分布不均，在大光斑雜質(zhì)吸收的激光輻射溫度最大值高于小光斑的溫度最大值，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(duì)薄膜的損

13、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?yàn)槊}寬越短，激光功率就越高，激光對(duì)材料的損傷越大，薄膜損傷閾值也就越低。表示為：Ith tpmIth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，制備工藝以與膜系的不同有關(guān)，其選擇圍為0.3m0.5，典型的 m 取值在 0.35 附近。當(dāng)然，同一薄膜對(duì)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(gè)數(shù)的增多，激光損傷閾值會(huì)減小。而多脈沖激光對(duì)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)院光機(jī)所高衛(wèi)東博士通過實(shí)驗(yàn)測定在單脈沖激光作

14、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(duì)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，于是在材料部形成局部高溫，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，材料缺陷處就會(huì)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(gè)微觀缺陷的發(fā)展和爆炸，都將增加對(duì)后續(xù)激光的脈沖的吸收，并導(dǎo)致更大的微觀損

15、傷的發(fā)生，最終導(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(gè)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(shí)，就會(huì)使得材料在宏觀上表現(xiàn)出破壞。當(dāng)然脈沖強(qiáng)度不能低于最小值，否則再多的激光脈沖也不會(huì)對(duì)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(shí)，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)以與入射角不同時(shí)，損傷閾值也可能會(huì)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(huì)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

16、些參數(shù)考慮對(duì)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(jì)和制備的光學(xué)薄膜的層數(shù)就越少。對(duì)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(diǎn)以與彈性模量則更重要，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(duì)于抗激光薄膜材料來說，一般地，我們偏向于對(duì)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。(2)薄膜厚度、基體特性對(duì)激光損傷的影響 通常上，激光對(duì)薄膜的損傷閾值會(huì)隨著薄膜的厚度而降低，被稱之為“厚度效應(yīng)”，而且隨著薄膜厚度的增加，缺陷的幾率會(huì)增大，缺陷較多，其所在處吸收激光也更加

17、強(qiáng)烈，導(dǎo)致破壞閾值降低7。薄膜的駐波也會(huì)因薄膜厚度的變化而變化，當(dāng)用激光照射時(shí)，薄膜光場發(fā)生變化，也會(huì)影響破壞閾值。薄膜表面吸收激光能量是不一致的，于是我們?cè)诒砻嫖蘸腕w吸收方面進(jìn)行分析。 制作工藝會(huì)決定基體的表面粗糙度，從而直接影響到薄膜性能。經(jīng)研究，因?yàn)樵诖植诘幕w表面上，各處存在較大吸附能差，在吸附能較高的吸附位置容易形成核，即優(yōu)先核生長，所以得到的薄膜多孔洞且疏松。而在較平滑的表面上，缺陷相對(duì)較少，吸附能差異很小且均勻分布，得到的薄膜均勻且致密。因所選材料、工藝制備的不同，基體特性對(duì)薄膜的破壞閾值有極大的影響。 (3)薄膜雜質(zhì)缺陷的影響 關(guān)于薄膜，缺陷是導(dǎo)致其受激光損傷的薄弱環(huán)節(jié)。這些

18、缺陷有的是材料中引入的，有的是基體的加工、清洗、處理中引入的，有的是在抽真空時(shí)和氣體中引入的，有的是在蒸鍍過程中由于膜材料噴濺和分解、放電、輻射以與薄膜結(jié)構(gòu)變化而形成的。這些缺陷有雜質(zhì)、節(jié)瘤、包裹物、氣孔、針眼、溝槽以與應(yīng)力缺陷、化學(xué)缺陷、電致缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷和熱缺陷等8。因缺陷的存在，首先會(huì)使薄膜局部電場發(fā)生變化，從而導(dǎo)致缺陷附近局部電場的增強(qiáng)。其次電場的變化誘發(fā)溫度分布的變化，被激光照射時(shí)，雜質(zhì)和缺陷處吸收率較薄膜表面其它部分更大，在材料表面形成局部高溫。最后熱量的積累使薄膜材料局部區(qū)域膨脹，導(dǎo)致力場發(fā)生變化，當(dāng)其超過材料破裂的臨界強(qiáng)度時(shí)，薄膜就會(huì)發(fā)生損傷。經(jīng)研究，缺陷是薄膜受激損傷壞的主要

19、因素，所以減小或消除薄膜中的各種缺陷是目前我們所能提高薄膜抗激光損傷的明智舉措。 (4)薄膜制備技術(shù)對(duì)損傷閾值的影響 制備工藝是在薄膜材料和膜系選定之后，保證表面性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。關(guān)于制備工藝，光學(xué)薄膜的沉積技術(shù)主要有物理蒸汽沉積、濺射沉積、化學(xué)氣相沉積和化學(xué)溶液沉積。為滿足所需薄膜不同的材料、不同的性能要求，要在以上沉積方法中選擇最合適的，不僅要考慮制備出的薄膜的性能，還要考慮到成本和產(chǎn)品工藝的穩(wěn)定性。熱蒸發(fā)沉積的基本原理是在真空條件下用電阻，電子束或其它加熱手段把膜材料氣化，使其沉積在基體上形成所需要的膜層。其制備方法簡單，控制簡易，制備靈活，有較高的損傷閾值，但其缺點(diǎn)是在加工過程中膜材料化

20、合物會(huì)失去某些成分，制備的薄膜疏松、多孔，薄膜也會(huì)被蒸發(fā)源污染。激光損傷閾值難以進(jìn)一步提高。 離子束濺射是物理濺射沉積技術(shù)一種，不僅可以獲得高純度和高致密性的薄膜，而且可以獲得低散射性的薄膜9。它利用離子源發(fā)射的高能離子（5001500eV）轟擊膜材料制成的靶面，使材料分子脫離靶面并攜帶一定的動(dòng)能達(dá)到基體，形成薄膜。而且離子濺射在高真空下進(jìn)行，從而避免了等離子體氣氛對(duì)薄膜的污染，使薄膜的純度更高。 化學(xué)氣相沉積是借助于不同氣體之間的化學(xué)反應(yīng)在基體上沉積所需要的薄膜的方法，用這種方法可以獲得純度較高的薄膜，這是一般物理氣相沉積技術(shù)無法比擬的。利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)既可制備單質(zhì)薄膜，又可制備化合物薄

21、膜; 溶膠凝膠鍍膜可以在室溫下以浸泡或自旋的方式進(jìn)行，是在大體積光學(xué)基體上鍍膜的技術(shù)，成本很低。這種鍍膜需要預(yù)先準(zhǔn)備金屬氧化物溶液，然后通過水溶作用或者加熱作用將這類物質(zhì)轉(zhuǎn)換成凝膠氧化物。利用溶膠凝膠膜能夠得到非常高的損傷閾值，溶膠凝膠膜的缺點(diǎn)是本性脆弱，難以對(duì)光學(xué)表面進(jìn)行清潔。 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(gè)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(shí)驗(yàn)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、可靠性與成品率,來適應(yīng)生產(chǎn)的需要。文章重點(diǎn)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