激光损伤范文-盘古文库

激光损伤范文

来源：开心麻花

作者：开心麻花

2025-09-18

激光损伤范文（精选4篇）

激光损伤第1篇

低空、超低空目标通常具有突发性、隐蔽性等特征,是地面防空的难点问题之一。尤其是随着现代航空工业的发展,各类型的民用小型飞行物大量增加,比如航空模型、动力三角翼等,对低空空域安全提出了挑战。随着激光技术的不断发展,高能激光技术在毁伤低空目标中的应用得到了不断的发展。高能激光对空中目标进行毁伤时,其发射的高能激光照射到目标上后,必须持续照射一段时间,目标吸收了足够的激光能量才能实现预期损伤效果,这就要求发射激光能汇聚到目标上并稳定地停留一段时间(数毫秒至数秒)[1]。这段时间内对跟踪瞄准系统提出了很高的要求。高能激光对目标损伤研究已有较多成果,吴艳梅等[2]模拟激光武器热毁伤效应研究了激光辐照目标后孔洞的形成过程。李海燕[3]等建立了激光有效干扰远场光电探测器时所需激光能量的估算模型。Bianco等[4]建立了移动热源产生瞬态温度场的有限元模型讨论了对流传热系数对于瞬态温度场的影响。这些研究主要是对材料的激光损伤形貌、功率大小、以及激光辐照下的温度场等方面研究较多,对损伤时间研究较少。达到预期毁伤效果的时间大小和目标材料吸收的激光能量直接相关,而影响激光能量的吸收因素主要有激光器的输出功率、激光大气传输的透过率以及材料对激光的吸收率。综合考虑影响激光辐照目标达到预期损伤效果时间的因素,建立了高能激光损伤目标的时间估算模型,分析了能见度、天顶角以及功率对损伤时间的影响。

1高能激光大气传输损耗模型

影响高能激光大气传输的因素主要包括大气湍流、大气分子对激光的吸收和散射以及气溶胶对激光的吸收和散射等线性效应;另外还有热晕、击穿等非线性效应的影响。大气分子和气溶胶的吸收和散射效应主要造成激光能量的衰减,作用距离下降;大气湍流主要会造成激光束偏转、抖动和强度起伏等,使激光的空间相干性下降,影响激光辐照的作用效果与精度。热晕是影响高能激光大气传输的一种非常重要的非线性效应,它能造成高能激光光束扩大、弯曲、畸变和折射等效应。激光大气传输衰减与大气分子吸收、大气分子散射、大气气溶胶吸收和大气气溶胶散射有关。设α为大气对激光的衰减系数,有[5]:

$α = α_{m} + α_{n} (1)$

αm为大气分子衰减系数,αn为气溶胶衰减系数。大气透过率τ与衰减系数α、传输距离R之间的关系为:

$τ = \exp (- α R) (2)$

对于1.06 μm波长的激光来说,低空大气中的主要大气分子如水、二氧化碳以及氮气等吸收作用非常小,因而它处在大气传输的窗口区,在只考虑大气分子影响的情况下,1.06 μm的激光透过率τm能够保持在一个很高的值,为0.98左右,这说明大气分子对其的影响αm非常小[6]。在对流层内尤其是低空近地面层,气溶胶粒子占重要地位,只要激光波长不太短(≥0.5 μm),分子散射一般也可以忽略不计[7]。但是低空大气中的气溶胶粒子对1.06 μm激光的吸收则不可忽略。在大气水平均匀条件下,气溶胶的衰减可写成工程上的经验公式:

$α_{n} = \frac{3.91}{V} (\frac{λ}{0.55})^{- q} (3)$

式(3)中V是能见度,λ为波长,气溶胶衰减的单位为dB/km,q是与波长和能见度相关的常数,对于近红外光,q的取值为:

$q = {\begin{matrix} 1.6 ‚ & V > 50 k m \\ 1.3 ‚ & 6 k m < V < 50 k m \\ 0.58 V^{1 / 3} ‚ & V < 6 k m \end{matrix} (4)$

对于晴好天气,V的值在6 km以上,通常情况下激光辐照空中目标时激光的传输路径不会是向上垂直入射至空中的,而是一条斜向上的斜程路径,不同高度的压强、温度、大气分子结构各不相同,大气传输衰减系数也有差异。1.06 μm激光斜程传输时可以用下式计算其透过率[8]。

τl=exp((-secθ(K/V))(1-exp(-0.835H))) (5)

式(5)中θ为天顶角(激光入射线与地面法线之间的夹角),H为传输高度,K为区域常数(乡村取2.828,城市取3.132,海洋取4.543,沙漠取2.496)。综合考虑式(1)、式(2)、式(3)、式(5),1.06 μm激光综合大气透过率表达式为:

$\begin{array}{l} τ = τ_{m} τ_{n} τ_{l} = 0.98 \exp [\frac{- 3.91 R}{V} (\frac{λ}{0.55})^{- 1.3}] \\ \exp {\frac{- Κ \sec θ}{V} [1 - \exp (- 0.835 Η)]} (6) \end{array}$

通过编制程序,得到了图1所示波长为1.06 μm的高能激光作用于城市地区高度为1 km的低空目标时的大气透过率与能见度和天顶角的关系。

由图可知:对于1.06 μm的高能激光,目标高度固定时,激光发射时的天顶角越大,激光传输路程越大,透过率越低;能见度越小,大气透过率越时低,尤其在能见度小于15 km时,能见度下其大气透过率下降非常明显。因此,在能见度很低或天顶角过大时,激光大气传输损耗过大,到达目标表面的激光能量过小,从而达到预期损伤效果的时间大大增加。

2激光目标辐照模型

2.1材料的激光吸收率

激光束经过大气传输到达目标表面后,部分能量会被目标表面散射或者反射损耗掉,进入目标内部的激光能量被材料吸收。对激光能量的吸收作用主要考虑激光吸收率的问题,材料对激光的吸收率直接关系到激光能量的利用率。金属材料在航空航天领域的应用十分广泛,金属材料对激光的吸收主要是表面自由电子吸收和金属内的束缚电子、激子、晶格振动等振子吸收,其激光吸收率模型为[9]:

$\begin{array}{l} A_{m} = 0.145 7 \sqrt{\frac{ρ}{λ}} + 0.09 \exp (- 0.5 \sqrt{\frac{λ - c / Ν}{ρ}}) + \\ \frac{ρ}{Ν λ - 10^{- 6}} (7) \end{array}$

式(7)中电阻率ρ为:

$ρ = ρ_{20} [1 + γ (Τ - 20)] (8)$

N为目标材料的核外电子层数,c为常数,γ为温度系数,λ为入射光波长,ρ20为温度为20℃时的电阻率。对金属铝来说,核外电子层数N=3,温度系数γ=4.210-3/℃,电阻率ρ20为2.6910-8 Ωm。

2.2激光损伤材料时间的计算

采用功率密度为P0的均匀分布的激光,光束发散角为θz时,激光束垂直于目标表面的光束半径为Rθz,光束发散角θz可表示为:

$θ_{z} = \sqrt{θ_{y}^{2} + θ_{t}^{2} + θ_{d}^{2}} (9)$

式(9)中θy为光束衍射发散角、θt为大气湍流所引起的光束扩展、θd为激光光源抖动,有[10]:

$\begin{array}{l} θ_{y} = 2 θ_{d} = 1.22 \frac{λ}{D} β (10) \\ θ_{t} = \frac{1.22 λ}{[0.423 k^{2} \sec θ \int_{0}^{R} C_{n}^{2} (h) d h]^{- 3 / 5}} (11) \end{array}$

D为激光发射望远镜孔径,β为光束质量因子,k=2π/λ,θ为天顶角,Cn2为大气湍流结构常数。激光斜程传输时,光斑面积大小为πR2θz2/cos2θ,目标表面上所接收的光功率密度为原来的cosθ倍。令A为材料激光吸收率,激光束通过大气传输到达目标表面时材料吸收的激光功率密度PR为:

$Ρ_{R} = A Ρ_{0} τ \cos θ (\frac{D}{D + R θ_{z}})^{2} (12)$

高能激光辐照空中目标时发生烧蚀效应,使目标在瞬间产生高温高压,目标被照射部分材料发生熔化、汽化等相变,产生凹坑或穿孔,从而达到损伤效果。相变过程中温度保持不变,但仍需要吸收大量的潜在热,在处理相变时必须考虑材料的潜热。假设激光熔穿材料即达到损伤目的,设材料厚度为l,密度为p,熔点为Tm,比热容为C,Em为材料的相变潜热,损伤目标材料所需的能量密度为[11]:

$E = p l [C (Τ_{m} - Τ_{0}) + E_{m}] (13)$

若需在t的时间内达到损伤效果,则:t=E/PR。

2.3数值计算结果与分析

金属铝是一种十分常见的航空材料,应用十分广泛。由式(8)知温度越高,铝的电阻率越高,对激光的吸收率越大,在此假设电阻率ρ=ρ20,所得数值结果为最小值,厚度l为1 cm,密度p为2 707 kg/m3,熔点Tm为695 ℃,比热容C为896 J/(kg℃),相变潜热Em为3.9106 J/kg。常数c取2.110-6,则Am=0.12。假设激光发射望远镜孔径D为0.25 m,光束质量因子β为3,则θy=2θd=15.5 μrad,θt取文献[10]计算结果为1.08 μrad,则光束的总发散角θz由(9)式计算,为17.39 μrad。当目标所处高度分别为1 km、2 km和3 km时,通过计算得到辐照到目标表面的光斑半径分别为0.274 6 m、0.299 2 m和0.340 4 m。

图2中三条曲线分别为目标所处高度为1 km、2 km和3 km时高能激光完全熔穿1 cm厚铝材料所需的时间与能见度的关系。天顶角设为定值45°,激光光斑按均匀分布计算,激光器的输出功率为1.0109 W/m2。从图可知,能见度在15 km以上时,目标所处不同的高度对熔穿时间影响不大,能见度在25 km的较好天气下,上述三个高度的目标熔穿时间大约为0.25 s、0.3 s和0.4 s,相差并不大;能见度在15 km以下时,熔穿时间随着能见度的下降大幅增加,能见度仅为5 km时,上述三个高度的目标熔穿时间大约为0.49 s、1.18 s和2.5 s。因此,高能激光系统对空中目标的损伤在能见度低于15 km时,其达到预期损伤效果所需作用时间势必大大增加,此时若仍需在较短时间内达到损伤目的,必须考虑增大激光器的输出功率。

图3为目标所处高度为1 km时取得预期损伤效果所需时间与能见度的关系,激光器的输出功率分别为1.0109 W/m2、5.0109 W/m2和10109 W/m2,天顶角同样设为定值45°。由图可知,激光器功率较低时,所需时间较大,功率较高时所需时间较少,在功率达到5.0109 W/m2以上时,激光器能量的增大对损伤时间的影响越来越小;激光器发射功率较小时,能见度越低时间增加的幅度越大,激光器功率较大时,由于激光经过大气传输损耗后仍有足够的能量对目标造成损伤,因而能见度对损伤效果的影响也相对不明显。

图4为目标所处高度为1 km时达到预期损伤效果所需时间与发射激光的天顶角的关系,能见度分别取10 km、23 km和50 km,激光器的输出功率按1.0109 W/m2计算。由图可知,在θ=0.8 rad时,所取三个不同的能见度对应的计算时间约为0.3 s、0.25 s和0.22 s,而在θ=1.4 rad时,对应的计算时间约为2.3 s、1.2 s和0.85 s。激光发射时的天顶角越大,激光传输路程越大,激光损耗越大,取得预期损伤效果需要的时间越多。发射激光的天顶角在小于1 rad时,所取三个不同能见度值所对应的时间计算结果相差不大, 并且随着天顶角的增大,所需时间的增加不明显;在天顶角大于1 rad时,随着天顶角的增大,所需时间大幅增加。

3总结

对高能激光损伤低空目标的时间估算要综合考虑激光器的输出功率、激光大气传输损耗、光束传输的天顶角以及材料对激光的吸收特性。综合以上因素的分析,建立了高能激光辐照目标取得预期损伤效果的时间估算模型。数值计算结果表明,高能激光系统对空中目标的损伤在能见度低于15 km时,其达到预期损伤效果所需作用时间势必大大增加;激光器功率较大时,功率的增大对损伤时间的影响越来越小;在天顶角大于1 rad时,随着天顶角的增大,所需时间也大幅增加。结果对高能激光技术在防空中的应用有重要的指导意义。

参考文献

[1]黄勇,邓建辉.高能激光武器的跟瞄精度要求分析.电光与控制,2006;13(6):86—88

[2]吴艳梅,李俊昌.高能激光武器热毁伤仿真研究.电光与控制,2009;16(2):33—35

[3]李海燕,胡云安,刘旭东.激光干扰远场光电探测器能量估算方法.红外与激光工程,2010;39(6):1038—1043

[4] Bianco N,Manca O,Naso V.Numerical analysis of transient temper-ature fields in solids by a moving heat source.3rd International Con-ference on Heat Transfer,Fluid Mechanics and Thermodynamics,South Africa:Cape Town,2004

[5]杜宇方,郭振华,周伟明,等.激光大气传输的直接观测.激光杂志,2007;28(1):83—84

[6]刘伟超,齐琳琳,何宏让,等.1.06μm激光大气透过特性的数值计算研究.激光与红外,2011;41(5):520—524

[7]赵宏鹏,雷萍,姚梅,等.1.06μm激光大气散射模型研究.光电技术应用,2009;24(2):6—9

[8]贾建周,宋德安,贾仁耀,等.激光大气传输衰减的估算方法.电子信息对抗技术,2007;25(4):73—76

[9]陈君,张群莉,姚建华.金属材料的激光吸收率研究.应用光学,2008;29(5):793—798

[10]王世勇,付有余,郭劲.远场光电探测器系统受激光干扰与损伤效果估计.光学技术,2002;28(1):28—30

激光损伤第2篇

激光辐照TiO2/SiO2薄膜损伤时间简捷测量

为了测量激光辐照薄膜的起始时间,采用了一种简洁易行的测量方法,利用波长1.06μm和1.315μm连续激光以及1.06μm单脉冲激光辐照典型薄膜光学元件,通过探测器接收激光脉冲信号和薄膜表面的激光反射信号,薄膜表面反射信号在激光辐照过程中的某个时刻发生突变,发生突变的时间对应着薄膜发生损伤的时间.得到1.06μm连续激光强度为7133W/cm2时,反射信号在0.8s发生突变,强度为11776W/cm2时,反射信号在0.4s发生变化;1.06μm单脉冲激光能量为48.725mJ,97.45mJ,194.9mJ时,薄膜损伤时间为3.63ns,2.727ns和1.09ns;1.315μm连续激光强度为2743W/cm2时,反射光信号在辐照时间t=3.44s发生突变;强度为4128W/cm2时,薄膜表面反射光信号在辐照时间t=1.44s发生突变.结果表明,通过测量薄膜表面反射信号的`突变来确定薄膜损伤的起始时间,对于薄膜抗激光加固,以及提高光电系统的抗激光能力有着重要的意义.

作者：周维军袁永华桂元珍 ZHOU Wei-jun YUAN Yong-hua GUI Yuan-zhen 作者单位：中国工程物理研究院,流体物理研究所,绵阳,621900刊名：激光技术 ISTIC PKU英文刊名：LASER TECHNOLOGY年，卷(期)：31(4)分类号：O484.5关键词：薄膜激光时间测量损伤

激光损伤第3篇

特别是这些鬼点反射光束反射回激光器内,经过一系列放大系统或聚焦系统后, 焦斑能量密度超过光学材料的破坏阈值,可能损伤激光腔内的元件.同时鬼光束汇聚点会引起气体击穿,所产生的等离子体吸收有用的光束能量,导致输出的光束局部出现暗斑.鬼点反射是高功率激光装置的光学设计中需要重点考虑的问题,它将直接影响整个实验装置的规模.

针对高功率固体调Q Nd:YAG激光器的光学系统反射的鬼光束对激光器的破坏,分析了一阶鬼点光束的特性,并设计了光学系统,给出了避开鬼点反射损伤激光器的方法,为高功率激光装置中透镜的设计提供参考.

1 鬼点反射对激光器损伤的分析

1.1 鬼点反射的分类

通常的鬼点反射可以分为2种,即全口径反射产生的普通鬼点反射和部分口径反射产生的细光束鬼点反射(笔状鬼点).普通鬼点反射是高能量密度的激光束在传输过程中在各种光学元件表面产生微小的反射,这些反射光束在传输过程中如果得到放大和聚焦,能量密度会变得很大,产生极大的破坏.

笔形鬼点反射是一种细光束鬼点反射,很难掌握和控制.当一束普通的全口径鬼点反射通过一个小孔时,鬼点反射的一部分(笔形鬼点反射)将通过小孔,在通过放大器时能量得到不断加强,将会对光学元件产生破坏.

1.2 鬼点反射的破坏

在高功率固体调Q Nd:YAG激光器系统中,外加光学系统对激光器原始出射光束进行改进,激光束输出后需要在近距离处通过透镜进行扩束.其系统的性能参数如下: 激光束输出能量:1～500 J;波长1.06 μm;激光脉冲宽度8 ns;输出能量不稳定性小于10%.

从以上指标中可知,从激光器输出端的透镜产生的1%左右的鬼点反射的能量反射回激光器经聚焦后将有很高的能量密度量和峰值功率,足以对激光器产生致命的破坏作用.激光器腔体内的光学材料的激光损伤理论模型有:电离雪崩、多光子吸收、缺陷诱导损伤等.各种损伤的机理本质是电子吸收光子后,产生电离,从而产生自由载流子,自由载流子对光有强的吸收,自由载流子的数量越多对激光的吸收越强,吸收的激光能量一般转化为热能,在材料内部产生局部的高温高压,引起应力的产生,使材料发生熔化或炸裂损伤[4].

在不同的激光能量密度条件下,激光对材料产生的破坏影响可归结为:

(1)当能量密度大于50 mJ/cm2,可以从大多数物质表面释放出可被吸收的污染颗粒并沉积在光学元件表面,在强激光作用下,产生破坏区并逐渐扩大导致激光输出信号的急剧衰减;

(2)当能量密度>0.1 J/cm2时,金属表面将被烧蚀或气化,这些气化的物质沉积在光学元件表面,在强激光的作用下,将产生破坏区并逐渐扩大以导致光信号的急剧衰减;

(3)当能量密度>20 J/cm2时,光学薄膜将被破坏,并降低传输光束的强度和质量.此时,光学玻璃将开始气化,金属和聚合物将产生爆炸性的烧蚀.

1.3 鬼点反射的计算

鬼点问题实际上是光线在多个反射面之间反射后的成像问题,因此在进行鬼点位置的光路计算中,可以把鬼点看作是光路中的某个焦点在经过多次成像后的像[5,6].以平行光束从左往右射入单透镜为例,有用光束的正常汇聚点通常位于双凸透镜右外侧.但进入镜体的光束的部分能量被透镜右侧凹面反射,该杂散光束逆向透过镜体,在透镜左外侧形成1阶鬼点.双凸透镜1阶鬼点位置,即鬼光束焦距fghost的计算公式为

undefined

式中,fSF为空间滤波器双凸透镜的焦距;n为激光器工作波长所对应的材料折射率.

2 降低鬼点反射光对激光器损伤方法

2.1 加镀增透膜

为了增加光学元器件的透过率,减少其反射,必须在元器件的表面镀上一层或多层减反射膜(增透膜).减反射膜必须满足以下条件:

(1)从反射膜表面反射出的激光要尽可能低,膜材料自身的吸收尽量少,这样才能减少被反射光对元器件的损伤,通常要求激光反射率Rmin<0.1%.

(2)高的损伤阈值,以经受强激光的辐射.用于Nd :YAG激光器及光学元件的薄膜材料通常为SiO2,同时也可以采用TiO2和ZrO2加工复合膜.以满足较宽波段的激光应用[7].

2.2 采用光隔离器

光隔离器是一种对正向传输光损耗很小,而对反向光损耗很大的非互易性器件,在激光源和光传输系统之间安装一个光隔离器,可以在很大程度上减少反射光对光源的光谱输出功率稳定性及光路系统产生的不良影响.光隔离器按其应用场合不同,可分为在线型和自由空间型.前者主要用于光纤线路中.后者主要用于DFB激光器中,直接起到隔离反射到DFB激光器芯片的回返光的作用.

光隔离器利用磁光晶体的法拉第效应,其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性,它可将同一波长的正向入射光及反向入射光的偏振面都向同一方向旋转同一角度,而与光束传播方向无关[8].把一个可将入射光束偏振面旋转45°的法拉第光旋转器置于1对彼此呈45°交叉放置的偏振器之间,则可构成1台光隔离器,它只允许正向传播的光束通过该系统,而将反向传播的光束阻断.光隔离器工作原理如图1所示.

在光学系统中,增加光隔离器可较好地抑制透镜反射的鬼光束对激光器造成的损伤,但法拉第光旋转器对入射及反射光的偏振角度要求严格,系统的精密度要求高,系统成本加大,同时偏振镜及法拉第光旋转器对激光的能量衰减较大.

2.3 优化光学系统设计

光学系统是激光使用的重要组成部分,其作用是将激光束从激光器的输出窗口引导至作用区域,并获得系统要求的光斑形状、尺寸及功率密度.在不影响光学系统性能的前提下,光学系统的组成元件应简单,结构紧凑.在高功率激光光学系统中,也可通过优化设计光学系统,减少鬼点反射对光学元件的破坏.

在使用的高功率固体调Q Nd:YAG激光器系统中的光学系统设计中,激光束从激光器中发射后,入射至第一个球面透镜.该透镜采用大曲率球面,依据光线传播的规律,在已知透镜反射率的条件下,可得到透镜反射的鬼光束反射回激光器的能量占发射总能量的比例.通过调整透镜与激光器的距离获得满足激光器安全使用要求的反射鬼光束的能量.

设透镜曲率半径为R,激光束的光斑半径为r,透镜与激光器的距离为L,该光学系统的设计如图2.

在激光发射近距离处,忽略激光束发散角影响,假设激光束为平行光束,依据几何光学,可计算出透镜反射的鬼光束反射回激光器的能量占发射总能量的比例η可表示为

undefined

其中,η0为透镜对激光束的反射比率.通过调整L大小可得到满足激光器安全使用要求的光学系统.在高功率固体调Q Nd:YAG激光器系统中,采用该设计方法很好地避免了透镜鬼点反射对激光器造成的损伤.

同时,由式(1)可以看出,当透镜的材料,即折射率确定后,其一阶鬼点位置(鬼光束焦距)与焦距的比值一定,可通过控制透镜的焦距长短来控制一阶鬼点的位置.在高功率激光装置中,可以采用适当加长透镜焦距的长度,使一阶鬼点远离光学元件,而在口径不变的情况下,焦距的加长也有利于减小系统像差.

当高功率激光器系统对激光传输要求不严格时,也可略微倾斜放置激光入射的透镜,使产生的破坏鬼点反射出主光路系统.

3 结论

针对高功率固体调Q Nd:YAG激光器的光学系统反射的鬼光束对激光器破坏,分析了一阶鬼点光束的特性,给出了降低鬼点反射光对激光器损伤的方法及优缺点.研究及实际表明,优化设计光学系统可避开鬼点反射对激光器的损伤.

摘要：高功率固体激光系统中的光学透镜对激光束的残余反射,可形成能量较大的鬼光束,极易对元器件及激光器造成损害.研究了高功率激光装置中的鬼点反射及其带来的破坏影响,给出了避开鬼点反射损伤的方法,可为高功率激光装置中透镜的设计提供参考.

关键词：鬼点反射,高功率激光装置,光学设计

参考文献

[1]苏毅,万敏.高能激光系统[M].北京:国防工业出版社,2004.

[2]孙承伟.激光辐照效应[M].北京:国防工业出版社,2002.

[3]李银柱,李良钰,戴亚平.高功率激光装置中的鬼点反射分析[J].中国激光,2004,28(8):677-680.

[4]段晓峰,牛燕雄,张雏.半导体材料的激光辐照效应计算和损伤阈值分析[J].光学学报,2004,24(8):1057-1061.

[5]马再如,刘文兵,冯国英.高功率激光系统的低阶鬼点位置公式[J].激光杂志,2003,24(2):55-58.

[6]谭吉春,景峰,朱启华.多通放大器腔内的杂散光[J].强激光与粒子束,2000,12(2):159-163.

[7]王和义,傅依备.激光减反射膜制备技术展望[J],材料导报,1999,13(5):36-38,

激光损伤第4篇

随着激光技术的发展,高功率强激光系统对增透膜的要求越来越高。传统的物理镀膜方法工艺复杂,成本昂贵;溶胶凝胶法是一种新型的镀膜方法,与传统物理镀膜相比,溶胶凝胶法制备Si O2增透膜设备简单,镀膜方便,价格低廉[1],更重要的是,溶胶凝胶方法制备的Si O2增透膜具有传统物理方法无法比拟的高激光损伤阈值[2],在高功率激光领域被认为是需要重点研究和发展的方向之一。但是由于碱性催化,Si O2凝胶薄膜呈颗粒状堆积在基底上,薄膜的机械强度很低,限制了薄膜的使用条件。对溶胶凝Si O2增透膜进行氨处理是一种有效的后处理方法,能明显增强薄膜的机械性能,而透射峰值的透射性能基本保持不变[3,4]。然而,关于氨处理对溶胶凝胶Si O2增透膜激光损伤阈值影响的研究还未见报道。

本文采用溶胶凝胶方法在K9玻璃基片上镀制了二氧化硅增透膜,并通过对氨处理前后薄膜的微结构、光学性质和弱吸收的比较,系统的分析了氨处理工艺对Si O2增透膜激光损伤阈值的影响。

2 实验过程

2.1 薄膜的制备

以正硅酸乙酯(分析纯),无水乙醇(分析纯),水(二次蒸馏)为原料,氨水为催化剂,按一定比例混合,室温下搅拌约30 min,密封陈化一周待用。以洁净的K9玻璃为基底,采用提拉法在常温常压下镀膜,提拉速度控制在5∼20 cm⋅min-1,以保证膜层的光学厚度为λ0/4(λ0为中心波长,λ0=1 064 nm)。将制得的增透膜放入饱和氨水气氛的密闭容器中于室温下处理24 h。

2.2 薄膜的表征

采用原子力显微镜(XE-100)测试了薄膜的微观表面形貌;采用红外光谱仪(NICOLET 5700型)测试了薄膜的红外光谱;采用椭偏仪(SENTECH SE850)测试了薄膜的折射率;采用透射式光热透镜(Stanford photo-thermal solutions PCI-03)测试了薄膜的热吸收,其测试精度可以达到10-7量级,测试原理可参见文献[5];采用光学显微镜(NIKON E600K)观察了激光辐照前薄膜的杂质和缺陷状况,以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。

薄膜的激光损伤实验在中国工程物理研究院激光聚变研究中心进行,按照ISO11254-2.1测试规范测量样品的损伤阈值,测试光路如图1所示。本测试系统采用EPM 2 000型能量卡计加J25能量探头测量并记录激光脉冲能量,它具有实时测量和自动存储能力;系统采用焦距为1 500 mm的透镜将激光聚焦,可以灵活选择对测试元件损伤阈值的光斑口径;待测元件置于可精密程控、分辨率为10µm的二维移动平台上;实验中使用Nd:YAG单纵模调Q激光器,输出激光波长为1.064µm的近高斯光束,脉宽约6.8 ns,运行频率为1 Hz,输出单脉冲最大能量800 m J,光斑面积约1 mm2。采用“R-on-1”测试模式,每个薄膜设15个测试点,在每个测试点,激光辐照能量从0开始,每步增加1 m J,逐渐增加至薄膜损伤,通过观察薄膜损伤时产生的等离子体闪光来判断损伤,激光损伤阈值定义为薄膜发生损伤的平均激光能量密度。

3 结果和讨论

图2为氨处理前后增透膜的原子力显微镜的观测形貌。由图2(a)可以看出,氨处理前薄膜主要由Si O2纳米颗粒堆积而成,具有疏松多孔结构;由图2(b)可以看出,氨处理以后,组成薄膜的颗粒变大,薄膜表面变得平整,且薄膜表面均方根粗糙度由氨处理前的6.23 nm降低为处理后的4.17 nm。

氨处理前后增透膜微观形貌的变化是由于其化学结构发生了变化,图3为氨处理前后增透膜的红外光谱图。在红外指纹区,495 cm-1附近是Si-O-Si的振动峰,960 cm-1附近为Si-OH基团的伸缩振动峰,1 050cm-1附近对应Si-O基团的伸缩振动。从红外光谱图可知,氨处理后,增透膜的红外光谱发生了变化,Si-OH基团伸缩振动峰的强度减弱,Si-O基团的伸缩振动强度增大,Si-O-Si基团振动也增强。这表明氨处理引起了薄膜化学结构的变化,氨处理使膜层中的Si-OH基团数量减少,Si-O-Si基团数量增多。在氨催化下,薄膜中残存的Si-OH基团相互间发生脱水缩聚反应,生成Si-O-Si结构,引起干凝胶网络交联增强[4]。因此薄膜经过氨处理后不仅变薄了,而且机械强度也增加了。

氨处理对Si O2增透膜的光学性质影响也是很大的,薄膜的折射率由氨处理前的1.14增加为处理后的1.19。由关系式np2=(n2-1)(1-p)+1可以计算薄膜的孔隙率,式中np为多孔薄膜的折射率,n为致密材料的折射率,p为薄膜的孔隙率。由计算可得,薄膜的孔隙率由氨处理前的0.73降低为处理后的0.63,计算中,Si O2致密材料的折射率为1.46。计算结果表明,氨处理后增透膜变得更加致密,这与前面图2和图3的分析结果是一致的。

薄膜在激光辐照下会由于吸收光能而使温度升高,当薄膜温度过高时薄膜就会产生损伤,所以薄膜吸收率的大小时影响薄膜激光损伤阈值的重要因素。由透射式光热透镜的测试结果可知,Si O2增透膜的弱吸收由氨处理前的67.88×10-6增加为处理后的74.58×10-6。对同一次镀制的薄膜,经氨处理和未经氨处理的激光损伤阈值测试结果表明,未经氨处理的薄膜的激光损伤阈值为18.0 J/cm2,而氨处理后的薄膜的激光损伤阈值为16.9 J/cm2。由此可知,氨处理后增透膜的激光损伤阈值随着弱吸收的变大而减小。

(a)without ammonia treatment and(b)with ammonia treatment

激光辐照前,光学显微镜观测结果表明经氨处理和未经氨处理的增透膜几乎没有任何表面杂质和缺陷,膜层质量非常好。因此,强激光辐照时,两类膜层对光能的吸收主要来自于膜层的本征吸收。图4为激光辐照后经氨处理和未经氨处理的增透膜典型的损伤形貌。由图4可以看出,两类膜层的损伤区域都没有出现类似缺陷或者杂质引起的严重损伤中心点,薄膜的损伤主要为剥层破坏,损伤斑呈现近圆形区域,具有损伤中心且有环形变化,这和辐照激光的能量密度呈近高斯分布的特征相符合。

由前面的实验结果知道,相对于未经氨处理的薄膜,经氨处理的Si O2增透膜的弱吸收变大,当激光辐照薄膜时,能吸收更多的入射光能量,在膜层中形成大量热沉,通过传导和扩散会迅速导致膜层更高的温升;另一方面,氨处理会导致Si O2增透膜微观结构发生变化,薄膜的折射率变大,孔隙率变小,根据Yoshida等人提出的基于膜层微观形貌的损伤理论模型[6],溶胶-凝胶薄膜的基膜界面处空隙较大,当杂质吸收热量膨胀时,由于周围有足够的空间容纳,吸收的热量以及产生的热应力可以通过运动而散失,从而提高了膜层的损伤阈值,由于经氨处理的Si O2增透膜的孔隙率小于未经氨处理的Si O2增透膜,所以经氨处理的Si O2增透膜吸收的热量以及产生的热应力的衰减变得困难。综合以上两方面原因可以推断,在相同的激光辐照下,经氨处理的Si O2增透膜更容易发生损伤,其激光损伤阈值更低。另外,折射率的增加,可以导致带隙的减小和电子迁移的增强,同样可以降低薄膜的激光损伤阈值[7],这也是经氨处理的Si O2增透膜激光损伤阈值降低的原因。

4 结论

氨处理能增强溶胶凝胶Si O2增透膜的机械性能,而透射峰值的透射性能基本保持不变,是一种有效的后处理方法;但同时氨处理会改变薄膜的微观形貌和化学结构,氨处理后薄膜发生缩聚脱水反应变得更加致密,折射率增加,孔隙率减小,薄膜的弱吸收也比氨处理前增加,从而导致其激光损伤阈值降低。因此,在实际使用中应根据需要确定溶胶凝胶Si O2增透膜是否需要进行氨处理,以及氨处理的强度。

摘要：采用溶胶凝胶方法在K9玻璃基片上镀制了SiO2增透膜,并对其中一些样品进行了氨处理。分别采用原子力显微镜、红外光谱仪、椭偏仪、透射式光热透镜测试了氨处理前后薄膜的微观表面形貌、化学结构、折射率和弱吸收。实验结果表明:经氨处理后薄膜的孔隙率从0.73降低到0.63,其弱吸收从67.88×10-6增加到74.58×10-6,薄膜的激光损伤阈值从处理前的18.0J/cm2降低到16.9J/cm2。考虑到氨处理能提高SiO2增透膜的机械性能,实际应用中应根据需要折中处理。

关键词：溶胶凝胶,SiO2膜,氨处理,激光损伤阈值

参考文献

[1]Bautista M C,Morales A.Silica antireflective films on glass produced by the sol-gel method[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2003,80:217-225.

[2]Floch H G,Berger M,Novaro M.High laser damage threshold and low cost sol-gel coated epoxy-replicated mirrors[J].SPIE,1990,1441:304-315.

[3]Belleville P F,Floch H G.Ammonia-hardening of porous silica antireflective coatings[J].SPIE,1994,2288:25-32.

[4]付甜,吴广明,沈军,等.高强度激光三倍频增透膜的制备[J].同济大学学报,2004,32(2):277-280.FU Tian,WU Guang-ming,SHEN Jun,et al.Preparation of laser frequency tripling antireflective film with high-strength[J].Journal of Tongji University,2004,32(2):277-280.

[5]WU Z L,KUO P K,LU Y S,et al.Laser-induced surface thermal lensing for thin film characterization[J].SPIE,1996,2714:294-304.

[6]Yoshida K,Yabe T,Yoshida H,et al.Mechanism of damage formation in antireflection coatings[J].J.Appl.Phys,1986,60(5):1545-1546.