（光学工程专业论文）类金刚石薄膜抗激光辐照性能实验研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 长期以来，光学薄膜的激光损伤研究一直是激光技术领域重点关注的课题。一方面， 它是激光技术发展的铺路石，另一方面是激光与物质相互作用研究的一个重要组成部分。 所以，开展光学薄膜的激光损伤研究不仅是考查光学薄膜激光损伤性能的需要，也是研究 激光与材料作用机理的需要。 类金刚石( d l c ) 薄膜是一种新型的薄膜材料，以其优良的性能而在电子、生物尤其是 军事领域受到青睐。在光学方面，它主要因有宽波段的透过率和强耐冲击腐蚀特性而被作 为光学窗口的增透保护膜层。作为一种光学薄膜，激光损伤性能自然是d l c 薄膜性能的一 个重要参数。 本文在分析了光学薄膜的激光损伤机理以及损伤实验方法的基础上，对利用脉冲激光 沉积( p l d ) 技术在硅( s i ) 基底上制各的d l c 薄膜的激光损伤性能进行了实验研究。首 先验证了利用监测探测光的散射光能量进行薄膜损伤判别的可行性，然后对脉冲1 0 6 4 n m 、 2 4 8 n m 激光和连续1 0 6 1 x m 激光作用下的d l c 薄膜性能进行了研究分析。得出了如下主要 结论： 1 ) s i 基底上d l c 薄膜( 厚度1 0 0 2 0 0 n m ) 的零几率损伤阈值：在脉冲1 0 6 4 n m 激光 ( 脉宽1 0 n s ，有效光斑面积4 9 r n m 2 ) 辐照下，单脉冲损伤阂值约0 5 j c m 2 ，多脉冲( 脉冲 数2 0 ，脉冲重复频率1 h z ) 损伤闷值约o 1 j e r a 2 ，多脉冲损伤阈值明显低于单脉冲损伤阈 值；在脉冲2 4 8 n m 激光( 脉宽2 8 n s ，有效光斑面积1 2l l l l n 2 ) 辐照下，单脉冲和多脉冲( 脉 冲数2 0 ，脉冲重复频率1 h z ) 损伤闽值均约为o ，1 j c m 2 ；在连续1 0 6 t m 激光( 激光作用时 间2 1 0 s ，有效光斑面积o 1 m m 2 ) 辐照下，损伤闽值约为5 0 1 0 4 w e r a 2 。 2 ) 连续小光斑激光对有限尺寸平板靶材的辐照实验中，由于热传导的影响，激光的 作用位置对损伤是一个重要的影响因素。在激光辐照下，靶材边缘处比中心更容易发生损 伤。 3 ) 初步认为，d l c 薄膜在脉冲1 0 6 4 r i m 激光下的损伤主要是由杂质缺陷吸收引起的， 多脉冲损伤闽值明显低于单脉冲损伤阈值的原因是杂质缺陷的微损伤累积效应；脉冲 2 4 8 n m 激光辐照下，由于薄膜和基底强烈本征吸收的存在，杂质缺陷吸收可能不是引起损 伤的主要原因，造成多脉冲效应不明显，更迸一步的分析待研究；连续1 0 6 9 m 激光作用下， d l c 薄膜的损伤主要是由于基底吸收激光能量局部温升而使薄膜石墨化、气化造成的。 关键词：激光损伤，d l c 薄膜，损伤阙值 望堕型兰垫查奎兰塑壅兰壁兰笙笙苎 a b s t r a c t 1 1 1 es t u d yo nl a s e r - i n d u c e dd a m a g et o o p t i c a lf i l m sw a sa ni m p o r t a n tp r o j e c ti nl a s e r t e c h n o l o g yf i e l d i ti saf o u n d a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fl a s e rt e c h n o l o g yo nt h eo n eh a n da n d a ni m p o r t a n tp a r to fs t u d yo ni n t e r a c t i o nb e t w e e nl a s e ra n dm a t e r i a l so nt h eo t h e rh a n d ，s o ， s t u d y i n gt h e l a s e r - i n d u c e dd a m a g ep r o p e r t i e so f o p t i c a lf i l m si sn e c e s s a r yn o to n l yf o rt e s t i n gt h e p e r f o r m a n c eo fo p t i c a lf i l m s ，b u ta l s of o rt h er e s e a r c ho ft h em e c h a n i s mo fi n t e r a c t i o nb e t w e e n l a s e ra n dm a t e r i a l s d i a m o n d - l i k ec a r b o n ( d l c ) f i l mi san e wm a t e r i a lf o ro p t i c a lc o a t i n g s ，w h i c hh a sb e e n a t t e n d e di ne l e c t r o n i c s b i o l o g ya n dm i l i t a r yf i e l d sb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp r o p e r t i e s i ti s u s u a l l yu s e da sap r o t e c t i v ea n da n t i r e f l e c t i v eo p t i c a lc o a t i n gb e c a u s ei th a sb o t hh i g h e ro p t i c a l t r a n s m i t t a n c eo nw i d es p e c t r aa n dg o o dr e s i s t a n c et oc h e m i c a la t t a c k a sak i n do fo p t i c a lf i l m ， t h el a s e r - i n d u c e dd a m a g ep r o p e r t yi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r s w ji n v e s t i g a t e dt h el a s e r - i n d u c e dd a m a g ep r o p e r t i e so fd l cf i l me x p e r i m e n t a l l yo nt h e b a s i co fh a v i n ga n a l y z e dt h em e c h a n i s ma n de x p e r i n a e n t a lt e c h n o l o g yo ft h a t ，a tf i r s t ，t h e m e t h o do fh e - n el a s e rs c a t t e r i n ga sad i a g n o s i st e c h n o l o g yf o rf i l md a m a g ed e t e c t i n gw a s a s s u r e d t h e n 。t h ep u l s e d1 0 6 4 n m 2 4 8 n mi a s e ra n dc w1 0 6 啪l a s e rw e r eu s e da st h et e s t i n g s o u r c e t h eo b t a i n e dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： l 、t h eo p r o b a b i l i t yl a s e r - i n d u c e dd a m a g et h r e s h o l d so fd l cf i l m s ( f i l mt h i c k n e s so f 1 0 0 - 2 0 0 n m ) o ns is u b s t r a t ew e r ei n v e s t i g a t e d u n d e rt h ep u l s e d1 0 6 4 n ml a s e r ( e f f e c t i v ep u l s e d u r a t i o n1 0 n s ，e f f e c t i v es p o ta r e a4 ，9 t u r n 2 ) i r r a d i a t i o n ，t h es i n g l ep u l s ed a m a g et h r e s h o l di sa b o u t o 5 j c m 2a n dt h em u l t i - p u l s e ( 2 0p u l s e s ，r e p e t i t i o nr a t e1 h z ) d a m a g et h r e s h o l di sa b o u t0 1 j c m 2 t h en m l t i - p u l s ed a m a g et h r e s h o l dj so b v i o u s l yl o w e rt h a nt h a to fs i n g l ep u l s e i nt h ec a s eo ft h e p u l s e d2 4 8 n ml a s e r ( e f f e c t i v ep u l s ed u r a t i o n2 8 n s ，e f f e c t i v es p o ta r e a1 2 m m 。) i i t a d i a t i o n ，b o t h t h es i n g l ep u l s et h r e s h o l da n dm u l t i - p u l s e ( 2 0p u l s e s r e p e t i t i o nr a t elh z ) t h r e s h o l da r ea b o u t 0 1 j c m 2 a n du n d e rt h ec o n d i t i o no fc w1 0 6 9 r nl a s e r ( i r r a d i a t i o nt i m e2 - 1 0 s e f f e c t i v es p o t a r e a0 1 1 1 1 1 1 1 2 1i i t a d i a t i o n ，t h et h r e s h o l di sa b o u t5 o x l 0 4 w c m 2 2 lt h ep o s i t i o no fl a s e ri n c i d e n c eo nt a r g e ti sa ni m p o r t a n tf a c t o rf o rd a m a g et h r e s h o l di n t h ee x p e r i m e n to f c wl a s e ri 玎a d i a t i o nw i t ht h es m a l ll a s e rs l ： o ta n df i n i t ef i a tt a r g e t i tw a sf o u n d 1 a tt h ed a m a g eo c c u r r e de a s i e ro nt h ee d g eo f t h et a r g e t 3 、t oo u rk n o w l e d g e t h em a i nd a m a g em e c h a n i s mo f d l cf i l mi r r a d i a t e db y1 0 6 4 n m1 a s e r i si n c l u s i o na b s o r p t i o n ，a n dt h er e a s o nf o rt h eh i g h e rs i n g l ep u l s ed a m a g et h r e s h o l dt h a n m u l t i - p u l s ed a m a g et h r e s h o l di st h ea c c u m u l a t i o no fs l i g h td a m a g e i n i t i a t e db yi n c l u s i o n u n d e r t h ep u l s e d2 4 8 n ml a s e ri r r a d i a t i o n i n c l u s i o na b s o r p t i o np r o b a b l yi sn o tam a i nr e a s o nf o r d a m a g eb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fi n t r i n s i ca b s o r p t i o no ff i l ma n ds u b s t r a t e s ot h em u l t i p u l s e e f f e c tw a sn o to b v i o u s t l cf u r t h e ri n v e s t i g a t i o na n da n n y s i sa r en e e d e df o rb e r e tu n d e r s t a n d i n g i nt h ec a s eo fc w10 6 岫l a s e ri r r a d i a t i o n t h ed a m a g eo ff i l mw a sc a u s e dm a i n l yb yt h e g r a p h i t i z a t i o ne v e nv a p o r i z a t i o no fd l ca f t e rt h ei r r a d i a t e dl a s e re n e r g yw a sa b s o r b e db yt h e s u b s t r a t ea n dc o a t i n g ， k e y w o r d s ：l a s e r - i n d u c e dd a m a g e ，d i a m o n d l i k ec a r b o nf i l m ，d a m a g et h r e s h o l d i l 国防科学技术火学研究生院学位论文 一些主要数学符号及其含义 w a v e l e n g t h t e r i l l a n g l eo f i n c i d e n c e n u m b e ro f p u l s ep e rs i t e e f f e c t i v eb e a md i a m e t e ri nt h et a r g e tp l a n e e f f e c t i v eb e a mr a d i u si nt h et a r g e tp l a n e e f f e c t i v ea r e ai nt h et a r g e tp l a n e e f f e c t i v ep u l s ed u r a t i o n p u l s ed u r a t i o n d u r a t i o no f c wl a s e r t i m eo f d a m a g eo c c u r p u l s er e p e t i t i o nr a t e p u l s ee n e r g y e n e r g yd e n s i t y m a x i m u me n e r g yd e n s i t y p o w e r p o w e rd e n s i t y m a x i m u mp o w e rd e n s i t y t h r e s h o l de n e r g yd e n s i t y t h r e s h o l dp o w e rd e o s i t y j ，c m 2 w c m 2 t h r e s h o l dd e n s i t y 1 1 1 眦 一 谢 m 一 击 朋 朋 。 。 ， 协 w 惝 m 一 击 一 一 。 。 ， 脒 脒 w 脯 灿 。 。 m 略 哳 妇 w 邱 q b q h p 。 k s 独创性声明 奉人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：差垒型互莲避埴邀当摄愿挂能塞墅硒塞 学位论文作者签名：! 幽日期：沙嘶年，月z 占日 f 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章前言 1 1 研究背景 光学薄膜的激光损伤研究一直是激光技术研究的一个重要方面。光学薄膜在激光系统中 体积虽然是微小的，但起到的作用却是巨大的。激光系统中通常所需要的反射、透射、滤波 等基本要求目前大部分通过光学薄膜来实现。但光学薄膜本身却是较脆弱的，尤其是它相对 较弱的抗激光损伤性能( 光学薄膜的损伤阈值要比普通光学表面低2 0 倍【1 1 ) 。这就决定了光 学薄膜一方面制约着激光器向更高的输出功率( 能量) 发展，另一方面在光子对抗中成为彼 方攻击的重要目标。因此，光学薄膜的激光损伤研究自上世纪6 0 年代即激光器出现起就开始 受到激光技术工作者的广泛关注 2 i 。经过研究人员几十年的研究探讨，薄膜激光损伤实验技 术同趋成熟，人们不但发明了各种实验方法，还对各种实验方法进行了分析讨论，并且形成 了相应的国际标准一i s 0 1 1 2 5 4 。 在光学材料包括光学薄膜的激光损伤机理方面也有了比较明确的认识，大量的实验给出 了光学材料激光损伤闽值同激光参数( 波长、脉宽等) 的依赖关系，通过对实验数据的分析， 人们建立了一些光学材料激光损伤的物理模型，利用这些理论模型，人们对光学材料的激光 损伤作出了较为合理的解释，但出于激光与光学材料的作用涉及的因素比较多，往往一次相 互作用存在多种的损伤机制，所以对光学材料的损伤现象定量的理论模型还不是很成熟。目 前比较好的理论模型主要是通过热传导理论建立起来的热模型。 类金刚石( d i a m o n d 1 i k ec a r b o n ，简称d l c ) 薄膜是一种新型材料，尤其是通过脉冲激 光沉积( p u l s el a s e rd e p o s i t i o n ，简称p l d ) 技术制备的d l c 薄膜更是上世纪八十年代末才发 展起来的一种新材料。就其本身而言，它的高硬度、化学惰性、电绝缘性、宽带隙等优良性 能【4 】使其在很多领域都有良好的应用前景。就其光学特性而言，优良的光学透过性能决定了 它是优秀的宽波段窗口材料，所以本文把它当作一种光学薄膜看待。那么它的抗激光损伤性 能是不可避免要讨论的问题。本文通过实验的方法对用p l d 技术在硅( s i ) 基底上沉积的d l c 薄膜的抗激光损伤性能进行研究，旨在考查d l c 薄膜性能，为提高薄膜制备工艺提供一定的 参考依据。 1 2 1 类金刚石薄膜 1 2 类金刚石薄膜及其激光损伤研究回顾 金刚石除了以其晶莹、稀有成为高贵、永恒的象征外，在科学上、工业上、军事上都是 一种极其优良的材料。比如它有极高的硬度和耐磨性可以在特种加工领域中用作切削工具， 第l 页 国防科学技术火学研究生院学位论文 它有极宽光谱段高透过率可以作为优秀的光学窗口材料，还具有优良的电、热性能在电子领 域也有较宽广的应用前景。然而天然会刚石高昂的价格使其在工业上无法得到广泛应用，所 以长期以来，人们在人工合成金刚石的道路上投入了大量的精力。 1 9 5 4 年，美国科学家采用高压( 5 0 0 0 1 0 0 0 0 m p a ) 、高温( 1 5 0 0 。2 0 0 0 。c ) 技术( h p h t ) 首次成功合成了金刚石1 5 j ，之后迅速达到商业化水平。迄今，工业上消费的金刚石中，绝大 多数来自h p h t 技术。但h p h t 方法合成的金刚石呈离散的单晶粒状态，应用范围受到限制。 低压合成金刚石成为可能是在e v e r s o l e 、a n g u s 等人【卅利用化学气相沉积，采用循环热解c b r 4 或c h 4 合成金刚石之后，虽然这种方法生长余刚石的速度非常缓慢( o 1 n m h ) ，而且需要金 刚石作基片，使其作为应用不太现实，但毕竟使人们看到了低压合成金刚石的曙光。1 9 8 2 年， m a t s u m o t o 等人在化学气相沉积技术方面取得了突破，他们使用热灯丝( 约2 0 0 0 * ( 2 ) 直接激 活通过热灯丝的氢和碳氢气体，在非金刚石基片上得到了较高沉积率的金刚石薄膜。自此， 用于余刚石化学气相沉积的许多技术被发掘和采用，如直流等离子体、微波等离子体等。金 刚石研究的热潮也随之被激发出来。 i a b 1 1s o m e m e c h a n i c sc h a r a c t e r o fs e v e r a l d l c n i ma n dn a t u l x ：d i a m o n d 表11 天然金刚石和几种d l c 膜的一些力学性质【】 f r i c t i o n p r e p a r a t i o n d e n s i t y r i g i d i t yy o u n g m o d u l u s m a t e r i a i s p 3 ( ) c o e m t i e n to n t e c h n o l o g y( g c m ) ( g p a )( g p a ) m e t a l d i a m o n dn a t u r e3 5 21 0 01 0 0 1 0 5 0 0 0 2 0 1 0 n c s p u t t e r i n g 1 9 2 42 51 1 - 2 41 4 0o 2 0 1 2 0 r e a c t i v e 程c ：h ：m c1 9 以42 51 0 2 01 0 0 2 0 0o 1 0 0 0 0 s p u t t e r i n g c ：h r a d i o - p l a s m a 1 5 2 1 6 92 51 6 4 01 4 5o 0 2 o 4 7 伍c ：甜c ：h i o nb e a m1 8 3 5 2 53 2 7 51 4 5 0 0 6 - - 0 1 9 n cv a c u u ma r c2 8 3 08 5 9 54 0 - - 1 8 05 0 0o 0 4 0 1 4 l l a n o s i z e d p l d2 9 3 57 58 0 1 0 0 3 0 0 4 0 0 0 0 4 一o 1 4 d i a m o n d n cp l d2 47 0 9 53 0 - 6 02 0 0 5 0 00 0 3 加1 2 d l c 的出现给金刚石家族带来了新的生机，它是碳的一种非晶态，性能上却接近金刚石， 拥有金刚石的众多优点，而且制备工艺简单，表1 1 列出了天然金刚石和几种d l c 膜的一些 力学性质。第一次合成d l c 的实验采用的是低温下的化学气相沉积法，以c - h 作为碳源，得 第2 页 国防科学技术火学研究牛院学位论文 到的d l c 含有大量的氢。p l d 技术1 9 8 7 年成功沉积出高转变温度超导膜y b a 2 c u 3 0 7 5 以后 得到广泛的普及，1 9 8 9 年开始用于制备无氢d l c 薄膜，这可以浇是合成d l c 的一个重要突 破，因为它否定了一些研究者认为的氢的存在是d l c 薄膜中形成s p 3 键的必要条件的看法。 利用p l d 技术熔融石墨靶进行d l c 薄膜的制备对激光器的选择也是成膜好坏的关键。 初期人们大部分使用波长为1 0 6 4 r i m 的n d ：y a g 激光器，经过一定时期的发展，人们发现使 用更短波长激光器沉积的d l c 薄膜s p 3 键含量更高，薄膜质量更好，因此后来人们多倾向于 使用紫外波段的准分子激光器。近期的研究【7 8 1 表明，采用短波长，超短脉冲激光沉积得到的 薄膜性能更好。 国内对利用p l d 技术制备d l c 薄膜开展研究的有中国科技大学、长春光机所等单位。 西北核技术研究所自1 9 9 4 年开始开展利用准分子激光进行d l c 薄膜制备的研究工作，相继 利用纳秒级和飞秒级准分子激光成功镀制了高性能的d l c 薄膜，制各的薄膜1 9 - 1 1 硬度高达 8 0 g p a ，接近了天然金刚石的硬度。 1 2 2 光学薄膜激光损伤研究 类金刚石薄膜的抗激光损伤性能在其应用中( 尤其是光学应用中) 是一个重要的性能参 数，实验研究可以归为光学薄膜的激光损伤实验研究中，所以这里重点回顾一下光学薄膜的 激光损伤研究发展。自1 9 6 4 年c r g i u l i a n o 首次对激光引起光学材料损伤机理进行研究后【2 】， 1 9 6 9 年6 月，美国国家标准局( n b s ) 在科罗拉多州进行了有关激光对玻璃的损伤讨论会， 自1 9 7 1 年起该会议成了例行年会，后来变成国际年会( b o u l d e r ) ，表明了光学材料包括光学 薄膜激光损伤课题的重要性。三十几年来人们对实验方法进行了长期的研讨，上世纪八十年 代，研讨达到顶峰。1 9 8 2 年在列支敦士登公国召开了欧美八个著名实验室对b a l z e r s 商品膜进 行1 0 6 9 m 激光损伤循环对测( r o u n d r o b i n ) 的讨论会【12 ，”j 。1 9 8 4 年后各实验参与者对实 验结果进行了广泛讨论，光学薄膜激光损伤实验方法得到长足发展，并逐步提出了共同约定 的条件，为统一实验标准迈进了一大步。多年的实验讨论后，1 9 9 6 年，国际标准i s 0 1 1 2 5 4 1 【1 4 j ： 光学薄膜激光损伤实验标准( 1 - o n 一1 ) 终于浮出水面，为光学薄膜损伤实验规定了规范，使进 行该类实验的研究人员有章可循，也使该类实验逐步走向规范化，使实验结果更具横向可比 性。随后i s 0 1 1 2 5 4 2 也逐渐成文，对s - o n 1 实验方式进行了规范。 光学薄膜激光损伤实验研究的目的一方面是寻找薄膜损伤阈值对激光及薄膜本身参数的 依赖关系，另一方面是研究光学薄膜的激光损伤机理，都是为了改善薄膜制备工艺，提高薄 膜抗激光损伤性能。经过长期的探索，人们总结了薄膜损伤阈值同激光及薄膜参数的一些规 律，发现薄膜损伤阈值同激光脉宽、激光波长、光斑尺寸以及薄膜杂质缺陷密度、薄膜厚度 等参数都有明显的关系，并且总结出了一定的定标率i l ”。 光学薄膜的激光损伤机理研究是激光与物质相互作用研究中的一个重要方面，也是一个 比较复杂的问题，其中包含了光、电磁、热、力等多方面的内容。经过对实验数据的分析， 第3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 人们建立了一些光学薄膜材料激光损伤的物理模型，主要有杂质缺陷造成的热破坏、受激布 里渊散射激发超声波引起破坏、借助于直流雪崩击穿概念引入的光学材料雪崩击穿破坏、多 光子吸收电离破坏、强光非线性效应白聚焦引起的破坏等【3 1 。 1 3 本文主要工作内容 本文对硅基底上的d l c 薄膜进行了激光损伤实验研究。论文工作主要包括两大部分，第 一部分主要针对类金刚石薄膜制各工艺进行了分析，讨论了p l d 技术制备类金刚石薄膜中影 响薄膜性能的主要参数，在薄膜的大尺寸均匀性方面进行了改进，论文第二章主要讨论这部 分内容；第二部分对类金刚石薄膜的抗激光损伤性能进行了实验研究，是本文的主要部分， 主要分三个方面：激光与光学薄膜损伤机理分析、光学薄膜损伤实验方法讨论和类金刚石薄 膜激光损伤实验。其中实验方法研讨是本文的重点之一，主要对实验中的一些重要概念的定 义、实验检测手段进行了讨论分析，为本文第四章内容。激光与光学薄膜损伤机理简单分析 在第三章进行。第五章为d l c 薄膜激光损伤实验及结果分析，包括根据实验室条件建立的光 学薄膜激光损伤实验系统，以及三种不同激光源作用下的薄膜损伤实验结果。第六章为结论 和展望。 参考文献 【1 】w h l o w d e r m i l k c l e o ，2 1 2 4m a y1 9 8 5 ，r1 4 0 ，w p i 2 】c r g i u l i a n o l a s e r i n d u c e dd a m a g et ot r a n s p a r e n td i e l e c t r i cm a t e r i a l s a p p l p h y s l e t t ，1 9 6 4 ：5 - 1 3 7 3 陈飞光学材料破坏机理物理学进展，1 9 9 8 ，1 8 ( 2 ) ：1 8 7 2 0 6 1 4 r i c h a r dl 。c 。w u s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no fd i a m o n d l i k ec a r b o nf i l m sf o ro p t i c a la n dm e c h a n i c a l a p p l i c a t i o n s s u r f a c ea n dc o a t i n g st e c h n o l o g y , 1 9 9 2 ，5 1 ：2 5 8 - 2 6 6 5 】陈光华金刚石薄膜的制备与应用北京：化学丁业出版社，2 0 0 4 ：l 1 6 】6 郑伟涛薄膜材料与薄膜技术北京：化学工业出版社，2 0 0 4 ：2 5 2 - 2 5 3 7 】姚东升，刘晶儒超短脉冲准分子激光淀积类金刚石薄膜的实验研究，光学学报，1 9 9 9 ，1 9 ( 2 ) ：2 7 1 2 7 6 【8 fm u l l e r , k m a n n ac o m p a r a t i v es t u d yo f d e p o s i t i o no f t h i nf i l m sb yl a s e ri n d u c e dp v dw i t hf e m t o s e c o n d a n dn a n o s e c o n dl a s e rp u l s e s 【9 刘晶儒，白婷脉冲准分子激光淀积薄膜的实验研究强激光与粒子束，2 0 0 2 ，1 4 ( 5 ) ：6 4 6 6 5 0 【1 0 】李铁军，刘晶儒x e c l ( 3 0 8 n m ) 脉冲准分子激光淀积类金刚石薄膜光学学报，1 9 9 7 ，1 7 ( 3 ) ：3 3 1 3 3 7 第4 页 里堕型兰丝查尘堂堡窒生堕兰垡垒塞 1 】李铁军，刘晶儒利用脉冲激基分子激光制备大尺寸类金剐石薄膜及其均匀性分析光子学报，1 9 9 9 ， 2 8 ( 5 ) ：1 0 8 0 1 0 8 5 1 2 1s c s e i t e l ，j o ，p o r t e u s l a s e rd a m a g er o u n d r o b i n t e s t i n g ( 1 ，0 6 t m ) w i t h1 3 n s e cp u l s ed u r a t i o na n d4 0 r n s p o ts i z e a p p l o p t 1 9 8 4 ，2 3 ( 2 n ：3 7 6 7 3 7 7 3 1 3 1k h g u e n t h e r , tw h u m p h e r y s 1 0 6 i | t ml a s e rd a m a g eo ft h i nf i l mo p t i c a lc o a t i n g s ：ar o u n d r o b i n e x p e r i m e n ti n v o l v i n gv a r i o u sp u l s el e n g t h sa n db e a md i a m e t e r s a p p l o p t 1 9 8 4 ，2 3 ( 2 1 ) ：3 7 4 3 3 7 5 2 1 4 i s 0 1 1 2 5 4 - l ：l a s e r sa n d l a s e rr e l a t e de q u i p m e n t p r o j e a t l e a d e r ：d r i s t a u 1 9 9 6 1 5 孙承伟激光辐照效应北京：国防工业出版社2 0 0 2 ：3 2 1 3 2 3 1 6 】d a v i dm i l a m m e a s u r e m e n ta tl a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r yo ft h r e s h o l d so fs a m p l e si nt h e b a l z e r sr o u n d - r o u n dl a s e r - d a m a g ee x p e r i m e n t a p p l o p t 1 9 8 4 ，2 3 ( 2 1 ) ：3 7 6 2 3 7 6 3 国防科学技术大学研究生院学何论文 第二章类金刚石薄膜简介 本章摘要：对d l c 薄膜的力学、光学性能以及应用进行了简单介缃；对制备d l c 薄膜的p l d 实验技术进 行了简单介绍；对通过纳秒准分子k r f 激光镀制的d l c 实验方法以及实现大面积均匀薄膜的方法进行了 简单分析。 d l c 是一种新材料，优良的力学、热学、光学、电学及化学性能决定了它在许多领域的 广阔应用前景。p l d 技术是制备d l c 的一种重要方法，在众多d l c 制备技术中表现出独特 的优势，本章主要对类金刚石薄膜的性能及应用进行简介，对p l d 技术迸行一些分析，并对 纳秒准分子激光镀制的d l c 的一些性能进行了介绍。 2 1 类金刚石薄膜性能 2 1 。l 类金刚石薄膜的结构旧i 非氢d l c 是一种非晶态四面体结构，可以认为是盒刚石和石墨结构的中间态，其原子排 列无序，电子结构上是s p 3 和s p 2 杂化电子的混合物，其中碳的s p 3 杂化键形成无序网格框架， s p 2 杂化键以6 原子环状聚集成类石墨畴镶嵌在s p 3 键的无序网格中。薄膜结构中s p 3 键和s p 2 键的比例是决定薄膜性能的主要因素，s p 3 键的含量越高薄膜性能越接近金刚石( 表1 1 ) 。研 究d l c 结构通常通过可见和紫外拉曼光谱、傅立叶变换红外光谱( 主要研究含氢d l c ) 、透 射电子显微镜和x 射线光电子能谱。 蔓鬃l l t m i ) f i g 2 ir a m a ns c a t t i n gs p e c t r u mo fs e v e r a lc 图2 1 几种碳存在方式的拉曼散射光谱 f i g2 2r a m a ns c a t t i n gs p e c t r u mo f d l c f i l mb yp l d 剧2 2p l d 方法镀制的d l c 薄膜的拉曼散射光谱 第6 页 国防科学技术火学研究生院学位论文 拉曼光谱分析方法是研究薄膜结构的一种重要方法。分子吸收光子后，电子被激发到激 发态( 并不一定是分子的稳定态或本征态) ，电子很快跃迁到基态时发射出光子，但分子的振 动或转动态并不同时回到基态，因此，被散射光子的能量并不等于入射光子的能量。所以通 过观测散射光谱，可以根据分子的振动、转动态的不同分辨出不同的分子结构。 大多数d l c 拉曼频移研究采用波长为5 1 4 5 n m 的氩离子激光，拉曼散射光谱一般由位于 1 5 6 0 c m 1 或1 5 8 0 c m 1 的g 峰和1 3 5 0 1 3 7 0 c m 。的伴峰d 峰组成，其中g 峰对应于与结晶石墨 e 2 。振动模式相联系的g 线，d 峰大致对应于与石墨无序振动相联系的d 线。散射谱以g 峰 为主，而且谱峰较宽，图2 1 为碳的几种存在方式的拉曼散射光谱，图2 2 为我4 1 i n 用p l d 技术制备的d l c 薄膜的拉曼散射光谱。原则上讲，可见拉曼光谱不能直接给出s p 3 键和 键比例的定量信息，但可见拉曼光谱的形状可以给出薄膜质量的间接信息。由于1 2 0 0 c m “处 的拉曼峰来自于非晶相的s p 3 碳已经得到确认，因此最近利用紫外拉曼技术已实现了对d l c 薄膜s d 3 键合的直接观察。 2 1 2 类金刚石薄膜的硬度 我们都知道，金刚石的硬度在自然界所有物质中是最高的，质量较好的人造金剐石薄膜 的硬度可以与天然金刚石相比拟，可以达到8 0 g p a ，在制作机床刀具和磨削工具方面有较好 的应用。金刚石薄膜工具分为厚膜焊接工具和薄膜涂层工具，厚膜焊接工具采用去除衬底的 会刚石厚膜经切割加工后钎焊在硬质合金工具上。金刚石薄膜涂层工具是在工具上直接沉积 金刚石薄膜，可以在形状复杂的工具上均匀沉积，所以比厚膜工具具有更大的应用潜能。 2 1 3 类金刚石薄膜的光学性能 由于金刚石的带隙( 5 5 4 e v ) 很宽，所以在很宽的波谱范围内( 2 2 5 n m 远红外) 都有很 高的光学透过率，是一种非常理想的光学窗口材料。d l c 也有类似的性质，只是d l c 是一种 非晶态结构，带隙相对较窄，而且吸收边较宽，但在红外波段性能与金刚石接近。而通常的 红外窗口材料要么是透过率高而力学性能差( 如z n s 、z n s e ) ，要么是力学性能较好但透过率 差( 如s i 、g e ) ，因此应用起来受到很大的限制。当然直接利用金刚石作为光学窗口是最优的 选择，但目前还不太现实。因此将d l c 作为保护膜和增透膜就成了首选，方面，利用d l c 高硬度而且又不影响红外透过率的特性作为z n s 、z n s e 等较软材料的保护膜可以增加这些材 料的抗冲击、耐腐蚀性质；另一方面，d l c 的折射率在2 0 3 0 之间，因此作为s i 、g e 等高 折射率材料的增透膜既能增加材料的透过率又不降低材料的力学性能，这是一般的增透膜材 料不能比的。z n s 基底d l c 薄膜的光学透过率曲线如图2 4 和图2 5 所示，在可见和近红外 波段，由于薄膜的吸收使样品整体透过率有所下降，在中远红外波段对基底透过率影响不大。 图2 3 为s i 基底d l c 薄膜的近红外光学透过率曲线，可见薄膜对基底有明显的增透作用。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 咖1 啪1 硼1 1 0 0 01 聊z m 姗 w a v e l e n g t h f n ) f i g 2 3t r a n s m i t t a n c es p e c t r u mo f d l cf i l mo i ls i ( 5 0 0 - - 2 5 0 0 n m ) 图2 3s i 基底d l c 薄膜透过率谱线( 5 0 0 - - 2 5 0 0 n m ) 5 1 0l ：y d o2 02 5 w n v d e n g t h ( r i m ) f i g2 4t r a n s m i t t a n c es p e c t r u mo f d l c f i l mo nz n s ( 5 0 0 2 5 0 0 r t m ) 图2 4z n s 基底d l c 薄膜通过率降线( 5 0 0 , 2 5 0 0 n m ) w * d “汹轴m f i g 2 , 5t r a n s m i t t a n c es p e c t r u mo f d l c f i l mo nz n s ( 2 5 0 0 , - , 1 5 0 0 0 n m ) 图2 5z n s 基底d l c 薄膜透过率谱线( 2 5 0 0 1 5 0 0 0 n m ) 2 2 准分子激光沉积类金刚石薄膜 脉冲准分子激光淀积薄膜的实验系统如图2 6 所示，它主要由真空镀膜室和激光器两部分 组成。真空室为m 4 0 0 m m x 4 0 0 m m 的不锈钢容器，极限真空为6 x1 0 。p a ；衬底支架是程控x - y 二维平动