（光学工程专业论文）激光薄膜损伤阈值测试原理及方法研究.pdf

激光薄膜损伤阈值测试原理及方法研究 学科：光学工程 研究生签字： 妻化 指导教师签字： 乒锄灸者 摘要 本文从光学薄膜激光损伤机理出发，对影响光学薄膜激光损伤阈值的因素和提高光 学薄膜抗激光损伤的技术等进行了讨论。对于在不同制备工艺、不同基体上沉积的 h f 0 2 s i 0 2 薄膜，k 9 玻璃上的薄膜明显比s i 上的薄膜损伤阈值大。离子束辅助沉积技术 改变了薄膜与衬底的结合力、薄膜的表面形貌、薄膜的致密度，相对于热蒸发沉积而言， 有效的提高了薄膜的抗激光损伤能力。 制备的单层类金刚石薄膜通过不同的激光能量辐照后，在1 0 0 0 倍显微镜下观测，在 激光能量低于其损伤阈值时出现了轻微烧蚀的痕迹，当激光能量高于其损伤阈值时出现了 薄膜脱落、基底颜色变化现象。结合z y g og p i 型干涉仪的测试，与观测到的损伤发生与 否相符合。 对激光损伤阈值的检测方法进行了研究，并利用最小二乘法对数据拟合进行了程序设 计、对损伤发生与否的判断进行了程序设计、对二轴移动平台实现了自动控制。 准确测定光学薄膜的激光损伤阈值可以衡量光学薄膜的抗激光损伤能力，然而测定损 伤阈值的关键是准确地判定损伤的发生与否。本文模拟组建了h e n e 散射光检测光学薄 膜激光损伤阈值系统，通过测量同一样品点的h e - n e 散射光能量变化来判断薄膜表面发生 的损伤，并对制备的类金刚石薄膜与h f 0 2 s i 0 2 反射膜进行了阈值测试。与等离子体闪光 法的阈值测试结果进行了比较，具有较好的一致性。分析表明，有时等离子体闪光的出现 并不是在薄膜发生损伤的过程中产生的，在入射激光能量较小时，薄膜表面灰尘的强吸收 也会产生等离子体，此时，薄膜并没有发生损伤。等离子体闪光的强度和薄膜的损伤程度 之间并没有一个确切的关系，难于实现在线检测。h e n e 散射光测试系统能有效地判断出 激光诱导损伤，易于实现在线检测。 关键词：激光损伤；类金刚石薄膜；激光损伤阈值；h e n e 散射光；等离子体闪光；检测 m e t h o da n dp r i n c i p l er e s e a r c ho fl a s e r - i n d u c e dd a m a g et h r e s h o l d d e t e c t i o nf o rt h i nf i l m s d i s c i p l i n e ：o p t i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： i1 厶呲jm a b s t r a c t e f f e c tf a c t o r so fl a s e r - i n d u c e dd a m a g et h r e s h o l da n d t e c h n i q u eo fi m p r o v i n gr e s i s t a n t l a s e r - i n d u c e dd a m a g ea r er e s e a r c h e df r o md a m a g em e c h a n i s m p r e p a r e dh f o g j s i 0 2t h i nf i l m s o fd i f f e r e n tt e c h n i c sa n df u n d u sa r et e s t e d t h i nf i l mo nk 9g l a s sg e t sh i g h e rl i d tt h a nt h a to n s i t e c h n i q u eo fi b a dc h a n g e st h eb o n d i n gf o r c eb e t w e e nf i l ma n df u n d u s ，a n dt h es u r f a c e s h a p ea sw e l la st h ec o m p a c t n e s so ft h i nf i l m s c o m p a r e dt oh o te v a p o r a t i o nd e p o s i t i o n ，t h i s m e t h o di m p r o v e st h ep o w e ro fr e s i s t a n tl a s e r - i n d u c e dd a m a g e e f f e c t i v e l y a f t e ri r r a d i a t i o no ft h ev a r i e t yo fl a s e re n e r g y ，p r e p a r e dd i a m o n dl i k ec a r b o nf i l m sa r e o b s e r v e di n1 0 0 0m u l t i p l em i c r o s c o p e i nt h er e s e a r c h ，s a m p l e so c c u r sd i f f e r e n tp h e n o m e n a ： w h e nt h el a s e re n e r g yi sl o w e rt h a ni t sd a m a g et h r e s h o l d ，s o m es l i g h ta b l i t i o nc o m e sa b o u t ； o t h e r w i s e ，w ec a no b s e r v et h a ta b s c i na n dc o l o u rc h a n g e so ff u n d u so ft h i nf i l m s t h er e s u l t sa r e i na c c o r d a n c ew i t ht h eo b s e r v a t i o no nz y g og p i i n t e r f e r o m e t e r b e s i d e s ，t e s t i n gm e t h o d so f l a s e r - i n d u c e dd a m a g et h r e s h o l da r ea l s or e s e a r c h e d p r o g r a m so fd a t as y n t h e s i z et h r o u g hl e a s t s q u a r em e t h o da n dd a m a g ej u d g e m e n to nt h ep o s s i b i l i t yo fd a m a g ea r ed e s i g n e d ，a n db i n a r y a x i sp l a n a rm o t i o nc o n t r o la c h i e v e sa u t o m a t i z a t i o nt o o p r e c i s el a s e r - i n d u c e dd a m a g et h r e s h o l dm e a s u r e m e n te v a l u a t e sr e s i s t a n tl a s e rd a m a g e s p o w e ro fo p t i c a lt h i nf i l m s t h ek e yo fm e a s u r i n gl a s e r - i n d u c e dd a m a g et h r e s h o l dd e p e n d so n a c c u r a t ej u d g e m e n to fw h e t h e rd a m a g eh a p p e n so rn o t h e - n el a s e rs c a t t e r e dm e a s u r e m e n t s y s t e mi ss e tu pt ot e s tl a s e r - i n d u c e dd a m a g et h r e s h o l do fo p t i c a lt h i nf i l m s t h ed a m a g e c o n d i t i o no ft h i nf i l m si sj u d g e db ym e a s u r i n ge n e r g y sv a r i e t yo fh e n el a s e rs c a t t e r e d ，a n dw e u s et h i ss y s t e mt e s t i n gp r e p a r e dd i a m o n dl i k ec a r b o nf i l m s ( d l c ) a n dh f 0 2 s i 0 2r e f l e c t i v e c o a t i n g s t h es a m p l e sa r ea l s ot e s t e db yt h em e t h o do fp l a s m as p a r k c o m p a r e dw i t ht h et e s t i n g r e s u l t sg e t t i n gf r o mt h et w om e t h o d s ，w ef i n dp r e f e r a b l ec o n s i s t e n c y t h ea n a l y s i ss h o w st h e a p p e a r a n c eo fh e n el a s e rs c a t t e r e dd o e sn o th a p p e ni nt h ep r o c e s so fl a s e rd a m a g e w h e nt h e e n e r g yo fi n c i d e n c el a s e ri sl e s se n o u g h ，t h es t r o n ga b s o r p t i o no fd u s to nt h es u r f a c eo ft h i n f i l m sa l s op r o d u c e sp l a s m a a tt h i st i m e ，t h e r ei sn od a m a g eo nt h i nf i l m s t h e r e f o r e ，t h e r ei sn o d e f i n i t er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e n s i t yo fp l a s m as p a r ka n dt h ed e g r e eo fd a m a g eo nt h i n f i l m s ，w h i c hr e s u l t si nt h ed i f f i c u l t yi no n l i n et e s t i n g s oh e n el a s e rs c a t t e r e dm e a s u r e m e n t s y s t e mc a l lb eu s e dt oj u d g el a s e r - i n d u c e dd a m a g ee f f e c t i v e l ya n di ti sp r o n e t or e a l i z eo n l i n e i n s p e c t i o n k e yw o r d s ：l a s e rd a m a g e ；d i a m o n dl i k ec a r b o nf i l m ；l a s e r - i n d u c e dd a m a g et h r e s h o l d ； h e n el a s e rs c a t t e r e d ；p l a s m as p a r k ；t e s t i n g 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或使用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍是西安工业大学。学校有权保留送交的 学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位敝作者躲誊仪 莉受菘 日期：删，j _ 矿 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 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，学位论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或他 人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的老师和同学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了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导老师签名： 萎使 节馁疠 日期：劬孑j j - 1 绪论 1 1 课题的意义 1 绪论 自从激光问世以来，光与物质的相互作用这一重要科学领域得到了新的开拓。在强激 光作用下，光学元件可以在短时间内遭到破坏，光学元件的损伤将严重影响传输光束的品 质，从而造成光束空间分布均匀性急剧下降，靶面光强不均匀分布等恶果，直接影响着惯 性约束核聚变的实现。作为几乎所有光学元件中不可缺少的基本元件，光学薄膜是激光系 统中非常重要而又最易损伤的一个环节。长期以来，激光对光学薄膜元件的破坏一直是限 制激光向高功率、高能量发展的“瓶颈”，也是影响高功率激光薄膜元件使用寿命的主因。 随着调q 激光器的出现，激光对物质的破坏作用就有所察觉。高功率、大能量激光器的 出现，人们进一步发现，器件本身所能承受的破坏能力已成为限制其发展的重要因素之一。 从而使光学薄膜抗激光损伤的研究成为一项重要内容。众所周知，激光器系统各元器件中 的光学薄膜是耐激光损伤的一个薄弱环节。因为激光器输出的最好性能不可能优于系统中 一个最差器件所允许的水平。因此，光学薄膜对提高激光器性能方面占有重要位置1 1 j 。激 光损伤研究的目的主要有两点，一是探讨损伤机理，对激光损伤与材料性质、结构、成分、 制备工艺和加工方法等因素的关系进行系统的研究，并对激光波长和脉宽等因素对损伤的 影响进行探讨，从而引导人们去发现更好的材料品种、制备工艺和加工方法；二是从实际 应用出发，以实验室条件模拟实际使用情况，测定损伤数据，研究特定情况下典型元件的 损伤规律，为使用者提供参考1 2 j 。 所以，为了寻求高性能的光学元件，首先要有一套能有效、便捷的测量光学薄膜在各 种激光作用下的损伤阈值的装置。因为，准确的测定薄膜的激光损伤及损伤阈值不仅是衡 量薄膜的抗激光损伤能力的标准，而且是研究激光损伤机理的必备条件。然而测定损伤阈 值的关键是准确判定损伤的发生与否。目前国内外检测激光损伤的主要判定方法有相衬显 微镜观测澍3 1 、等离子体闪光法【4 1 、光热偏转法1 5 j 等。每种方法都有其优越性和不足。建 立尽可能可靠的损伤阈值测试方法，实现对阈值的准确测量显得更为重要。 1 2 光学薄膜激光损伤机理研究历史 六十年代初，随着调q 激光器的出现，激光诱导光学元件的损伤就为人们察觉。七 十年代初，随着高功率激光器的出现，科研人员意识到系统中元件本身的抗激光损伤能力 己成为限制激光器发展的重要因素之一。 早在1 9 7 0 年，h o p p e r 等人就对玻璃中的包裹物的损伤机理作了详细探讨【6 1 。随后 b l o e m b e r g e n 对裂纹、吸收包裹物等对透明介质表面损伤阈值的影响做了分析。1 9 7 8 年， s m i t h 对光学材料的激光损伤进行了测量和分析，讨论了雪崩电离和多光子吸收的物理过 1 西安工业大学硕十学位论文 程1 7 。1 9 8 1 年，w a l k e r 等人总结了激光脉冲对光学薄膜的损伤机理。将光学薄膜的激光 损伤机理归结为：雪崩电离、多光子吸收、杂质诱导损伤等。陈飞等人对光学材料的激光 破坏机理做了分析【8 】将元件常见的损伤机理总结为以下几个方面：理想条件下的光学元件 本征破坏、光压造成的表面破坏、杂质引起的热破坏、激光在透明光学材料中以受激布里 渊散射过程产生超声而形成的超声破坏、雪崩电离击穿引起的破坏、自聚焦损伤等。特别 制得注意的是，光强引起材料折射率变化的非线性效应，由此形成的自聚焦损伤成为一个 研究热点【9 , 1 0 l 。 缺陷在诱导激光元件损伤中的作用是最早被人们意识到并进行研究的损伤机理之一。 早在1 9 6 4 年，b r u m a 和h e r c h e r 就把缺陷和不纯物为一个引起电子雪崩的一个重要起始 因素【1 1 】。即便在最近几年，研究工作者还是对缺陷引起的损伤给予了足够的重视，n a t o l i 研究了块材料中存在微小缺陷的情况下，如何确定损伤阈值曲线，并以此确定缺陷的密度。 g l e b o v 指出表面缺陷在离子的表面迸发对硅酸盐玻璃中“内禀”f i n t r i n s i c ) 激光诱导破坏 起着关键作用。由于薄膜中的缺陷引入了缺陷能级，使得电子更容易电离，因此杂质诱导 损伤不可忽略，由于雪崩电离、多光子吸收、杂质模型都不能完全解释激光损伤的规律， 而且不能得到计算激光损伤阈值的公式，1 9 9 8 年s t r e k a l o v 提出了原子吸收模型，得到损 伤阈值的估计公式，但是仍然不能完美地解决问题。k o z l o w s k i 指出，在基片的抛光、清 洗和薄膜镀制过程中会有以多种机制引入“种子源”，这些u m 量级的不均匀物在薄膜中 形成的节瘤缺陷，它们会使材料的抗激光辐照能力比没有缺陷的地方降低2 3 倍。研究者 己建立了种子源形成节瘤缺陷的理论几何模型，并由此可得到节瘤缺陷和种子源之间的尺 寸关系。进一步的计算表明，在有节瘤缺陷处的电场增量竟然有4 倍之多，该增量是种子 尺寸、深度和电子特征的函数。 在损伤机理研究中，激光和元件的相互作用时间是一个很重要的参数，与物质的作用 时间不同，发生损伤的机理不同，因而损伤阈值的计算也就不同。w o o c i 将脉冲激光与 透明介质的作用时间分成了四个时间段，分析了各个阶段引起损伤的主要机理。国内外专 家发表了不少论文和成果，对光学元件尤其是薄膜和晶体等的损伤过程建立了大量的理论 模型。然而，到目前为止，对于激光损伤的机理还没有完整的认识。 自1 9 6 0 年第一台激光器出现以来，人们就开始重视激光诱导损伤的问题。但是由于 有很多的内、外部因素，光学元件的损伤可能发生于内部或者表面。限制激光材料中的光 强的内部过程很多，诸如线性吸收，色心的形成，以及自聚焦，多光子吸收，电子雪崩击 穿等非线性过程；外部因素有杂质，材料缺陷( 间隙，位错等) ，特别是表面刮痕、擦伤， 以及表面污物。一般说来，多数激光系统都有很多光学表面，损伤阈值取决于表面光洁度 和光学膜层，而不是体材料，这使光学表面损伤的问题变得很复杂。同时，损伤阈值同激 光波长、脉冲宽度、材料杂质情况等有着密切的关系。国内外已有专著分析了激光参数条 件和光学材料的物理性质对光学元件损伤阈值的影响。不同的激光参数条件，如波长、脉 宽、偏振状态、模式、光斑等，对同一种物质会产生不同的损伤结果，同一种激光参数条 2 西安工业大学硕十学位论文 件下不同性质的元件也会产生不同的损伤情况。材料的物理性质诸如热和机械性质、激光 吸收系数、纯度和光学质量、非线性折射率系数等对元件的激光损伤也有很大的影响。此 外，由于制备手段、加工和工艺等不同，即使是同一种光学元件，也会显示出不同的损伤 结果。甚至是制备、加工和处理方法相同，同一种元件，在从原料到成品过程中也会由于 各种偶然因素如环境污染、杂质侵入、缺陷形成等，使得元件的损伤阈值有较大差异。另 外，激光损伤发生在纳秒甚至皮秒级的瞬时时间内，而损伤是高度随机的，这使得损伤机 理研究特别困难。 1 3 目前国内外在本领域中的研究现状 早在1 9 6 5 年，t u r n e r 等人就开始了激光对光学介质薄膜破坏机理研究【1 2 】，我国也于 1 9 6 7 年开始了相应的研究工作直至目前，该研究方向仍然是激光对物质破坏机理研究领 域中最活跃的课题之一。 从经典的概论出发，高功率激光与光学介质薄膜相互作用过程主要可归纳为膜料吸收 激光能量的热效应和激光的场效应二种。前者主要考虑到激光束是具有能量的粒子束，即 光子能量为e = h v 。而且作用激光波长愈短，每个光子所具有的能量愈大。对给定的激光 波长，当作用于介质薄膜的激光功率密度大于1 0 7w c m2 时，激光对膜料加热并使其升 温。当薄膜温度达到膜料的融溶或汽化阈值时，介质薄膜就开始破坏，从而使凝聚态膜料 热熔融或汽化。在考虑激光是与半无限大的凝聚态薄膜相互作用和激光光束的横截面能量 呈高斯分布时，介质薄膜吸收的激光能量转化为膜料中热分布可用高斯定理描述： 1 ( r ) = t 。e x p ( - k r )( 1 1 ) 式中，t m ，为光斑中心最高温度，t ( r ) 为距光斑中心距离为r 的温度，k 为光源的聚焦系 数。如假设在整个激光脉冲作用时间内热功率是恒定的，则介质薄膜的表面在一定的时间 z 内有一个不动的恒定热源在起作用，该持续时间z 可近似为作用激光的脉宽。而在激光 的作用下，薄膜中沿激光光轴方向吸收的光能随距膜层表面的厚度呈指数下降，因而激光 对薄膜的热破坏从膜层的表面开始逐步向其内部进行。 高功率激光与光学介质薄膜相互作用的场效应是因为激光具有良好的相干性，当激 光通过薄膜时，不仅反射光束之间发生干涉，反射光与入射光相遇时也要发生干涉这种 反射光与入射光产生干涉的结果是在薄膜内部形成驻波场，根据驻波理论可知，驻波振幅 处光强最大，因而对薄膜的破坏也是从该处开始的。考虑到驻波场的振幅并不一定位于膜 层的表面，因而激光与光学介质薄膜相互作用的场效应将致使膜层从非表面某处开始破 坏。 近年来，亦有对激光与光学介质薄膜作用时产生等离子体进行研究的1 1 3 】，这类研究 从激光与物质相互作用时将产生等离子体的理论出发，认为激光与介质薄膜相互作用的过 程是：当作用于介质薄膜的激光功率密度大于1 0 9 1 】| c m 2 时，膜料的吸收系数不再是常数， 3 西安工业大学硕十学位论文 又因作用时间很短，热传导来不及发生，因而被作用区迅速升温，产生初始汽化。此时的 物质蒸汽虽是透明的，但温度较高，因而物质蒸汽中的部分原子被激发或离化，产生初始 自由电子和离子，这一过程称为预电离。预电离产生的自由电子由于逆韧致辐射作用吸收 后续激光的单个光子( 对输出紫外波段激光而言) 或多个光子( 对输出可见和红外波段激光 而言) 能量成为高能电子，再去碰撞其它原子，从而使其离化。于是电子数密度可以以雪 崩的形式增加，因而形成膜料物质的高度离化状态一等离子体态。等离子体的形成标志着 薄膜已存在不可逆变化。等离子体对后续激光能量强烈地吸收，使更多的光能集聚于膜层， 因而自身温度急剧升高，局部成为高温过热状态。高温高密度的等离子体向外热辐射，因 而发出很强的闪光，该闪光向外喷溅带走部分汽化的膜料物质。而等离子体本身的体积向 外膨胀，膨胀波波前就是等离子体冲击波波面。等离子体冲击波对多层介质薄膜的机械作 用结合薄膜中存在的应力，能加强激光的其它效应对膜系的破坏效果，从而导致薄膜较大 面积的崩溃。若进一步对热引起的力学效应进行分析，可得到膜层内的热应力分布及其热 形变量，从而与激光损伤建立起直接联系。 薄膜损伤的宏观测试是根据薄膜在激光损伤后表现出来的宏观特性的变化来判定其 损伤情况。目前国内外检测激光损伤的主要判定方法有相衬显微镜观测法、散射光检测法、 等离子体闪光法、光热偏转法、透射反射扫描法，光声测量法。每种方法都有其优越性和 不足。目前各种判别方法时常在实际中应用。一般情况是，对元件损伤测试常采用多种方 法同时进行损伤判别，各方法可以相互佐证，以减小检测时的人为因素，尽量做到结果可 靠。 1 4 课题研究的技术路线 ( 1 ) 查阅相关资料，总结前人研究成果，弄清光学薄膜受激光辐照发生损伤的机理。 ( 2 ) 深入研究两种测试激光损伤阈值的方法，弄清测试过程以及测试结果的数据处理 手段。 ( 3 ) 模拟组建损伤阈值测试系统，对已有仪器进行编程，实现自动控制，并对数据处 理进行程序设计。 ( 4 ) 做损伤阈值测试实验，进行总结。 1 5 本论文研究的主要内容 本论文围绕光学薄膜的激光损伤研究，从激光损伤机理出发，对影响损伤阈值的因素 以及提高光学薄膜抗激光损伤的技术等进行了讨论；在阈值测试方法研究过程中，从测试 前的准备工作到最后对阈值测试报告的要求，对测试的整个过程进行了详细的阐述；模拟 组建了符合国际规范的h e n e 散射光检测光学薄膜激光损伤阈值系统，对二维移动平台 实现了自动控制，同时对损伤阈值的数据处理进行了程序设计。通过测量同一样品点的 4 西安工业大学硕士学位论文 h e n e 散射光能量变化来判断薄膜表面发生的损伤，并对制备的类金刚石薄膜与 h f 0 2 s i 0 2 反射膜进行了阈值测试，与等离子体闪光法的阈值测试结果进行了比较。对薄 膜损伤形貌进行了分析，同时，对损伤阈值测试的不确定度进行了分析。 本文共分为六章：第一章是绪论，介绍了本课题的意义和主要工作；第二章为综述， 研究了光学薄膜激光损伤机理、影响激光薄膜损伤阈值的因素以及国内外检测光学薄膜激 光损伤的主要研究方法；第三章研究了提高光学薄膜抗激光损伤的技术；第四章激光薄膜 损伤阈值测试技术里详细研究了损伤阈值测试的整个过程；第五章利用模拟组建的h e n e 散射法在线检测光学薄膜激光损伤阈值系统对样品进行了实验研究；第六章对全文进行了 总结。 5 2 综述 2 综述 2 1 光学薄膜激光损伤机理 光学元件在超过损伤阈值的强激光照射下会发生损伤。光学元件的激光损伤可分为薄 膜损伤和体损伤。薄膜损伤是激光引起薄膜的气化，膜料的喷溅，薄膜的脱落等：体损伤 有丝状损伤，炸裂损伤等。本章重点讨论薄膜的激光损伤。光学薄膜的激光损伤可以归结 为热效应、场效应、等离子体破坏。热效应考虑薄膜吸收激光能量，将光能转化为热能， 形成局部高温和温度梯度，热应力产生破坏。场效应考虑强激光的强电场对薄膜的作用， 激光场在薄膜内形成驻波，对薄膜造成损伤。强激光使薄膜雪崩电离形成等离子体，高温 等离子体对薄膜产生损伤。激光束辐照薄膜，通过多光子电离，电子崩击穿，光化学作用， 光力学效应以及杂质吸收和体吸收等线性或者非线性过程，在薄膜内产生能量沉积，使得 相当部分的光能转化为热能，形成激光对薄膜的热破坏源。所以，激光加热过程是激光辐 照导致薄膜破坏的基本过程或核心环节。激光不经热过程，而由光子直接破坏薄膜的几率 是相当小的。 2 1 1 热效应损伤 光学薄膜对激光的吸收和散射不仅会导致薄膜性能的下降，而且容易引起薄膜的激光 破坏。薄膜的复折射系数为五f = n f i k f ，其中k f 为消光系数，对透明薄膜n f k f 。消光系数 对薄膜有两方面的影响，其一，界面反射系数成为复数，位相变6 = ( 2 万a ) n 西是介于 零和万之间的某一角度；其二，位相厚度成为复数，对激光产生吸收，吸收系数为口= ( 2 石a ) k f 。当k f 很小时，薄膜对激光的吸收率为a f 。对于一个多层反射膜，高、低复 折射系数分别为五h = ，lh i k h ，疗l - - nl i k b 则吸收率为a r 。薄膜的吸收可能是薄膜材料的 本征吸收，也可能是制备过程中引入的附加吸收。对于高功率激光来说，除了本征吸收， 杂质吸收这类线性吸收之外，还可能发生诸如多光子电离，电子崩击穿之类的非线性吸收。 各种类型的吸收使得激光能量在薄膜内沉积，转化为热能，导致薄膜温度升高。温度升高 到一定程度，薄膜会发生熔融或热应力破坏，所以薄膜的吸收是导致薄膜激光破坏的最重 要因素之一。 ， 考虑激光束是具有能量的粒子束，在光与物质相互作用过程中，光子把能量转移给靶 物质，使靶物质热量增加光子的能量为e = h y ，当入射光频率) ，增大时，光子能量e 增大， 在靶物质中产生的热量也增多，越易造成损伤同时，如果激光越强，光子数越多，则在 靶中产生的热量也越多。靶物质吸收热量以后，温度升高，产生熔化和气化，从而导致破 坏【1 4 , 1 6 。 入射激光能量密度是时间和空间的函数，考虑入射光( z 轴) 方向，假设激光能量密度 6 西安下业大学硕士学位论 在垂直于z 轴的平面内为高斯分布。则入射激光的能量分布为： l ir ，t ) ；l o f ( t ) e x p ( 2 r 2 名)( 2 1 ) ，。为一个脉冲内总的入射光强，r 是参考点到光轴的距离，f o ) 是时间函数，它代表 了脉冲期间内光强的变化，是归一化的。为了简化，将入射光脉冲分为：高斯型( 图2 1 a ) 、 矩型( 图2 1 b ) 、斜上型( 图2 1 c ) 和斜下型( 图2 1 d ) 四种，分别用数学表达式表示为： f 1 ( f ) = ( 4 万) e x p ( 一如2 f ：) ( 2 2 a ) r 1 3 f ) 一1( 2 2 b ) e o ) 一1 4 0 8 ( t t p ) ( 2 2 c ) 只o ) 一0 6 + o 8 ( t t 口)( 2 2 d ) 将( 2 2 ) 式中的各个方程带x ( 2 1 ) 式，便可以获得不同激光脉冲波形的激光能量密度的 时间和空间分布。 激光作用于薄膜后的剩余能量为： i ，一j fe x p ( - a 4 d o )( 2 3 ) 其中是吸收比，是入射光能，d 。是薄膜厚度。 则吸收的能量为： i 。= i ii x e x p ( - a 。d o ) 】( 2 4 ) a b cd 图2 1 四种典型的脉冲波形 设光学元件的吸收系数为a ，入射激光能量为，。，r 为光学材料表面的反射率，c 为 光学材料的分子热容量，p 为材料密度，m 为相对分子量，则吸收激光引起的表面层温升 为： a t j o ( 1 一r ) 洲p c( 2 5 ) 7 西安工业大学硕十学位论 当光学元件的表面温度达到材料的极限温度，则发生破坏，这个极限温度可能是材料 的熔点，也可能是热应力破坏的温度。 2 1 2 电子崩电离 光学材料的电子崩模型是由y a b l o n v i t c h 和b l o e m b e r g e n 从早期的直流电子崩击穿概 念引入的。这个过程大致可以描述如下：介质原子导带中某个电子可以通过吸收入射激光 束的能量而加速，如果吸收的能量足够大，这个导带电子就有可能与价电子发生碰撞而使 其离化。这样一个导带电子就变成了两个。这两个电子重复上面的过程，最终使导电子数 急剧增加，直至样品局部区域形成强烈吸收激光的等离子体。然后等离子体与后续激光继 续作用，使得初始损伤发展成为宏观的灾难性破坏。 电子崩击穿模型首先假设存在少量的自由电子，电介质材料内含有金属杂质、缺陷、 杂质离子或电子缺陷等都能提供自由电子。这个理论的半定量处理方法是在适当的近似条 件下，通过求解e p s h t e l n 方程得到材料中电子密度函数与电子崩电离率，然后以临界导带 电子密度( 一1 0 1 8 c m 3 ) 为阂值判据来获得理论上的激光损伤阈值。利用这一方法，e p i f a n o v 对宽带隙介质的出损伤时的激光电场强度闽值e 。表达式如下： 班警c 击，赤 ( 2 6 ) 式中聊。为电子质量，。为材料带隙能量，c ，为样品中的声速，l 为再生电子数，k 。 为波尔兹曼常数，t 为温度，e 为电子电荷，l a 。为电子一声子碰撞的品均自由程，t 。为损 伤激光束脉宽，为损伤激光束频率，口为与材料特性及电场强度有关的参数。在材料性 能变化不大的情况下，这一参数对损伤行为的影响较小。上式写成能量密度表达式为： 厶= 0 5 e e 主t p 孟 ( 2 - 7 ) 式中f 为电子能量，c 为光速，j 旃为发生损伤时的临界激光能量密度，即通常所说的 能量损伤阈值。 由2 6 、2 7 可以看出，对看带隙介质材料。其辐照激光束能量损伤阈值于脉宽及频 率有着较大的依赖关系，大致规律是：随着脉宽的增加，损伤阈值响应增加，而随着激光 波长的增加( 即频率降低) ，损伤阈值则下降。 2 1 3 多光子电离 多光子电离机制和电子崩电离机制有一定的相似性，都是因为导带电子数的剧增导致 了电介质材料初始损伤的形成，只不过是这里引起导带电子数剧增的原因是价带电子对激 8 西安t 业大学硕七学位论 光的多光子吸收i 。 当入射激光的光子能量为固体材料带隙能量的1 3 时，多光子吸收会对价带电子的电 离过程产生重要作用。多光子电离理论的主要困难在于对电介质材料能带结构缺乏足够了 解，目前已有多种结果大都局限于双光子吸收的情况，而且基本上都是半定量的。k e l d y s h 得到了较重要的理论结果。这一结果之所以能被广泛的引用，其原因在于：第一，这个理 论模型与实验的吻合程度较之其他模型要好；第二，对于三光子以上的高阶多光子过程， 它是唯一可与实验结果做定性比较的理论模型；第三，这个理论模型过渡到单光子吸收时 与现有的成熟理论是一致的。但是，这个理论的数学方程是非常复杂的。 2 1 4 自由等离子体吸收 一般认为激光对光学材料的损伤，电子崩电离和多光子吸收是两个主要机理。按照这 两个模型，激光束的脉冲宽度与损伤时电场强度阈值之间的定标关系分别为e 墙t f l 5 ( 电子崩电离型) 和e 曲f = o 1 5 5 ( 多光吸收型) 。然而，这些理论结果与某些实验结果相 差很大。因此，b e t t i s 等提出了一种自由等离子体吸收加热模型【1 8 】，认为自由等离子体对 激光具有强烈吸收作用，从而加剧了激光对材料的破坏。按照这个模型，在一定频率和光 斑尺寸的激光束作用下，同一种材料发生破坏的激光强度阈值与脉冲宽度的四次方根成这 正比，即i t h f = 0 一，脉冲宽度t 。对材料破坏的影响更为显著。 2 1 5 杂质缺陷 杂质缺陷破坏机理的半定量理论有很多种，其中相对比较完善的是h o p p e r 和 u h l m a r m 1 9 l 的理论，其计算涉及到激光强度、脉宽以及杂质的吸收截面、尺寸、导热率、 热扩散系数和比热容等参数。通常杂质尺寸越小，热损失越大，杂质颗粒引起的材料损伤 的可能性越小。但是杂质太大，吸收的光能不足以使它升温到一定值时，它也不易造成损 伤。所以，在一定的激光参数条件下，存在个最有害的尺寸值，是材料最容易受到激光 损伤。关于缺陷对损伤阈值的影响中科院光电技术研究所的凌秀兰等人在激光薄膜缺陷研 究一文中作了详细研究她们认为：缺陷对激光损伤阈值的影响是一个复杂的过程，包括光 场、温度场、力场的综合作用过程。一般认为缺陷影响激光损伤的因素主要有以下方面： ( 1 ) 7 1 起膜层中局部电场的变化膜层表面的缺陷相当于一个微透镜，聚焦电场影响 膜层中的电场的分布，从而导致缺陷附近局部电场的增强。对于结瘤缺陷，结瘤缺陷沿其 中心线引起局部电场发生显著变化，但电场的峰值强度并不一定位于缺陷的种子中，而 依赖于种子的大小和深度。 ( 2 ) 电场的变化引起膜层温度分布的变化当光入射到样品表面时，在杂质和缺陷处 具有比材料本征吸收大的多的吸收率，杂质缺陷吸收可在材料表面形成局部高温，温度 变化的幅度取决于光场的峰值宽度及其所在位置。 9 西安工业大学硕士学位论 ( 3 ) 膜层热量的积累引起局部区域材料的膨胀使膜层材料的力场变化，当力场超过 材料破裂的临界强度，损伤发生。 研究结果表明，缺陷的存在导致薄膜的激光损伤阈值比无缺陷的材料低二到三倍， 激光损伤阈值一般随着表面上缺陷的数目的增加而降低。然而，薄膜表面缺陷密度并非影 响薄膜损伤阈值的唯一因素，激光损伤阈值与缺陷的大小也有密切关系。二氧化铪、二氧 化硅膜系实验表明，高度大于0 6 l m 的结瘤缺陷对激光损伤最灵敏。目前对此还没有合理 的解释，一种观点认为是结瘤缺陷增加了膜层中的局部电场，理论计算也表明膜层中的电 场的确随着缺陷的直径和高度的增加而增加，但电场的增加是一种普遍的结果，并不能得 出存在临界大小的结瘤缺陷。另一种观点认为缺陷的存在使得吸收增加( 对于由于真空室 和基板污染形成的结瘤缺陷可能如此) 或者光被耦合到缺陷中导致其机械稳定性变差。所 以缺陷导致薄膜的激光损伤的机制并不完全是因为缺陷引起其电场增加的结果，还需要 考虑机械过程和热过程，是多种过程的综合作用的结果。 2 1 6 超声波 材料破坏的另一种途径是激光辐照引起的超声波，短脉冲激光激发超声的机理多种多 样可以由光学击穿来激发，可以因激光烧蚀材料而激发，也可以通过非破坏辐照的途径来 激发。激光辐照下声学和光学声子波包等产生的主要机制有： ( 1 ) 热弹性声波激发材料表面吸收激光能量而升温，导致瞬间热弹性应力并激发偶极 相干声发射。热扩散过程较慢是这一机制响应较慢的原因。对于亚纳秒激光脉冲，热弹性 机制产生的声波脉宽通常大于声波通过光吸收区所需的时间。 ( 2 ) 半导体晶体材料的浓度变形机制由于激光激发载流子在晶体晶格中产生应力，可 以获得更短的声脉冲。 ( 3 ) 激光等离子体的反冲机制金属表面强烈吸收激光能量产生等离子体，等离子体急 剧膨胀对固体靶的反冲压力引起靶中的应力波或冲击波。声脉宽主要由激光等离子体的悉 数时间决定。 2 1 7 非线性吸收 非线性吸收破坏的物理机制是：当很高功率激光脉冲入射到光学材料体内时，产生非 线性吸收，使得聚焦点处发生电离，形成等离子体，等离子体膨胀和材料局部升温引起的 热膨胀造成巨大的局部应力，使光学材料炸裂破坏。 虽然以上给出了多种机制，但是值得注意的是每一种机理均涉及到一些不确定因素， 使得激光损伤阈值的精确计算变得很困难。电子崩电离和多光子吸收的理论计算需要复杂 的参数，比如材料的能带结构和电子有效质量等。杂质模型则需要知道杂质的类型、大小 及其在光学材料中的分布等详细参数，目前这些都是很难精确得到的。光学材料的激光损 伤往往是几种损伤机制共同作用的结果，针对不同的激光参数以及光学材料不同的物理化 学性质，某种激光损伤机制可能占主导地位。几种机制共同作用时，激光损伤阈值的理论 1 0 西安t 业大学硕士学位论 计算更为困难。 2 2 影响激光薄膜损伤阈值的因素 对薄膜损伤机理的研究的最终目的是如何研制出适于高功率激光系统应用的光学薄 膜元件，因此研究影响光学薄膜性能的各种因素，尤其是研究影响光学薄膜抗激光损伤性 能的各种因素，成为了我们研究的首要任务。由于薄膜的激光损伤是激光与薄膜相互作用 的结果，因此其影响因素主要应该归结为薄膜与激光两个方面。 2 2 1 光学薄膜方面的影响 这方面主要有光学薄膜的制备技术、膜料的选择、膜厚、基体特性以及缺陷的影响。 光学薄膜的制备工艺是保证表面性能的关键。因此，在用不同的膜料，针对不同的性能要 求，就要选用适当的沉积方法。 1 ) 膜料的自身特性由于薄膜的激光损伤从根本上说是一种热力耦合作用的结果，所 以选择薄膜材料时，在满足所要光学特性时，最重要的一点是要考虑薄膜的机械性能。对 于薄膜的光学特性从薄膜的设计和制备角度来说，选择高低折射率差值越大的材料组合， 设计和制备的光学薄膜的层数就少，沉积工艺就更为简单。另一方面，在层数相同的情况 下，差值大的材料组合较差值小的材料组合能得到较高的反射率，这可以减少材料的用量。 但从激光对薄膜的破坏这一角度来说，薄膜的阈值也同样重要：作为一般减反射用途的增 透膜即使被打坏，只是对光强有一些减低，对光路的影响并不太严重，但对特殊性能的光 学薄膜，尤其是高反射膜以及偏振膜的损伤就会导致整个激光系统性能的大大降低以至于 整体的失效。而对于薄膜的机械特性来说薄膜材料的热熔、热导、热膨胀、热吸收及弹性 模量显得更为重要，因为它们直接决定了薄膜在激光温度场和电场中的变化。对于抗激光 薄膜材料来说，我们认为如果薄膜材料对激光能量吸收小、热传导快、热容大我们认为这 是比较理想的膜料。 2 ) 缺陷的类型、数量及大小在实验中，我们发现用不同沉积方法制备的薄膜缺陷是 不一样的。对于d l c 薄膜，实验发现电弧沉积的薄膜缺陷为瘤和坑状，直径在l u m 左右。 对于这种缺陷目前研究的比较多，关于缺陷的形成已经有了初步的理论模型，这一理论模 型认为缺陷的大小与形成缺陷的种子有关，缺陷的实际形状可能随着实际的沉积条件的变 化而变化。对于不同的沉积方式结瘤缺陷的形状也有所不同，例如电子束沉积的薄膜结瘤 缺陷的边界形貌复杂膜层与缺陷的边界连续性差，而离子束溅射膜产生的结瘤缺陷膜与 缺陷的边界光滑连续【删。而非平衡溅射法制备薄膜缺陷表现为条状，长度在1 0 u r n 左右。 而对于离子束溅射方法沉积的介质膜来说，薄膜的缺陷综合了上面两种形式，只是条状缺 陷的尺寸较非平衡溅射法沉积的类金刚石要短。 由于上述缺陷的存在，会给薄膜与激光作用的过程中带来如下影响： a 、引起膜层中局部电场的变化膜层表面的缺陷相当于一个微透镜，聚焦电场影响膜 1 1 两安t 业人学硕士学位论 层中的电场的分布，从而导致缺陷附近局部电场的增强。对于结瘤缺陷，结瘤缺陷沿其中心 线引起局部电场发生显著变化，但电场的峰值强度并不一定位于缺陷的种子中，而依赖于 种子的大小和深度。 b 、电场的变化引起膜层温度分布的变化当光入射到样品表面时，在杂质和缺陷处具 有比材料本征吸收大的多的吸收率，杂质缺陷吸收可在材料表面形成局部高温，温度变化 的幅度取决于光场的峰值宽度及其所在位置。 c 、膜层热量的积累引起局部区域材料的膨胀使膜层材料的力场变化，当力场超过材 料破裂的临界强度，损伤发生。 3 ) 薄膜的应力对