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光学薄膜在激光系统中的应用及性能要求摘要：光学薄膜是激光系统中非常重要而又最容易损伤的薄弱环节。因此研究光学薄膜的激光破坏机制，如何提高激光损伤阈值，具有重要的实际意义。 本文首先分析了激光与薄膜材料的相互作用，并从微观和宏观方面较为全面的阐述了光学薄膜激光损伤机理，结合文献给出的实验数据，系统地从激光和薄膜自身两个方面介绍了影响薄膜激光损伤阈值的因素，并为如何提高光学薄膜激光损伤阈值提出了建议。关键字：激光损伤；光学薄膜；损伤阈值Application and performance requirements of optical coating in laser systemAbstract：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 materials, 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 to improve the laser induced damage threshold of optical thin films systematically from laser and the film itself.Keywords:Laser damage; optical coating; damage threshold1.引言 光学薄膜是激光发展过程中极重要的一环，业内通常用“灯、棒、膜”来形象地概括激光器的抽运能源、工作物质及谐振腔三大基本构件1，其中的抽运能源和工作物质随着激光器的不同而千变万化。对于激光器的种类，或者激光技术的发展及变化，光学薄膜都是关键元件。随着激光技术的发展，光学薄膜的性能、种类、结构也呈现出百花齐放的局面，尤其是激光核聚变高功率激光系统，对光学薄膜的光学性能严格要求，而且要求其在全口径范围内具有超强的抗激光损伤阈值。光学薄膜的损伤阈值是限制激光器输出强度并危及激光系统安全运行的重要因素2。光学薄膜在激光系统激光测距望远镜的成像和测距过程中的应用，重点分析光学薄膜的膜层的光学特性和物理特性，近年来随着激光技术发展出现了一些新型薄膜元件，譬如超短脉冲激光所需的啁啾薄膜、脉冲压缩用的光栅薄膜、光强空间分布调整用的高斯反射膜、全固化光技术用的多波长薄膜等。对激光系统来说，无论哪种薄膜都有共同的要求：高激光损伤阈值和理想的光学性能。 2.光学薄膜在激光系统中的应用 光学薄膜在激光系统，我们以激光测距望远镜为例，光学薄膜在激光测距望眼镜的成像和测距过程中起着关键的作用，膜层的光学特性和物理特性都直接影响望远镜的成像性能及测距精度。激光测距望远镜的各种膜系的理论设计虽然重要，但工艺制作也很重要，要把工艺制作和实际相结合，综合考虑膜料特性、蒸镀方法、制备参数等因素，力求得到光学性能稳定、膜层牢固、抗腐蚀及抗激光性能良好的优质薄膜3。 激光测距望远镜光学系统示意 激光测距望远镜的光学系统接收光线示意图4如图 1 .1所示。激光由激光器发出，经物体反射后返回，经物镜进入系统，由棱镜分光，进入光电接收器进行处理后显示距离。同时，根据望远镜原理，物体成像可由目镜进行观察。由图可知，光学薄膜对观察物体和测距都起着非常重要的作用。 图1.1激光测距望远镜的光学系统接收光线示意图 在激光测距望远镜中，红外点增透膜的作用是增强红外激光的透过率，减少激光能量的损失，从而使光电接收器的计数更为准确。它镀在棱镜靠近光电接收器的一面。 可见光宽带增透膜是目视观察仪器中必备的一种膜层，它的主要作用是降低光学零件的表面剩余反射光，从而增强光的透过率，以达到清晰的观察效果的目的。在激光测距望远镜中，宽带增透膜镀在观察目镜上。 干涉截止滤光膜5的主要作用是既让可见光反射，又让激光透射，使一起进入光学系统的可见光和激光分离，便于人眼直接观察到可见光，激光进入光电接收系统进行计数以计算距离值。干涉截止滤光膜是实现观察物体和测距的关键，也是激光测距望远镜制造难度最大的部分。如图 1 所示，可见光和红外光同时到达棱镜，干涉截止滤光膜将可见光全部反射，而让红外光全部透过，这样既满足了人眼观察要求，也满足了测光测距功能，因此，干涉截止滤光膜的性能好坏将直接影响整个光学系统的成像质量和测距精度。3.光学薄膜损伤阈值的影响因素 激光元件的损害问题对激光功率水平的提高有着相当重要的影响，而光学元件中的光学薄膜却最是容易受到激光照射的损坏，所以为减小激光对光学薄膜的损害，毫无疑问，我们要做的就是提高光学薄膜的抗损害阈值，增加其使用寿命。光学薄膜的种类有增透膜，反射膜，干涉滤波片，其中增透膜在光学系统的最外面，在激光系统中易受损伤。随着对激光输出功率和能量要求不断的提高,关于光学薄膜的强激光损伤与抗激光损伤的研究近年在国内外一直很热，各界人士千方百计提高光学薄膜的损伤网值。为不断提高其抗激光强度的最大值，并改进激光系统，于是对光学薄膜的光谱性能有着较高的要求。此外，在军事方面，应用强激光武器对光学薄膜元件的破坏可以造成航天飞行器的致眩、致盲、失控，甚至于系统的整体失效6。 关于激光对薄膜损伤的研究最重要的就是要找到造成薄膜损伤的原因和机理，在强相干辐射作用下，薄膜会产生的一些无法用经典薄膜光学理论进行解释的现象。所以我们通过分析薄膜与强激光相互作用的过程及结果，具有重要的学术意义。激光对光学薄膜的损伤是一个复杂的过程，它与激光的波长、脉宽、偏振态、模式、光斑、辐照方式以及光学薄膜的光学特性、膜料、制备工艺、薄膜结构、缺陷密度等多方面决定。同时，在军事领域，强激光对光学元件尤其是光学薄膜的破坏成为激光反导弹、激光反卫星的重要攻击方式。 3.1激光影响因素 通过实验数据对比分析，我们分别从激光的波长，光斑尺寸，激光脉宽，多脉冲激光，以及激光模式对光学薄膜的激光损伤阈值进行分析。(1)激光波长 我们知道激光的波长与其能量是有很大关系的，所以考虑到光学薄模的损伤阈值，我们得出激光的波长也是研究的重点。通过实验我们会发现大多数光学薄膜存在“波长效应”，就是当波长的减小时光学薄膜的激光损伤阈值会呈一定比例的下降，即短波长激光更容易造成薄膜元件的损伤。当然这种波长效应并不是在所有的光学薄膜上都很明显，甚至结论相反。例如对于脉宽为 15ns 的激光脉冲，当波长从 1064nm 倍频至 532nm 时，除MgO 薄膜外，所有的薄膜的损伤阈值均有所降低。 (2)光斑尺寸 光学薄膜对于强激光的辐射，通过实验发现，辐照激光束光斑越小，光学薄膜所能承受的损伤范围越大，即激光对薄膜的损伤阈值具有所谓的“光斑效应”。在当前的研究中人们认为“光斑效应”是杂质吸收引起的，因光学材料在加工过程中总会使杂质掺杂进去，从而在较大程度上吸收了激光。实验表明，强激光辐射薄膜时光斑效应的大小与薄膜中杂质分布的疏密有关。当改变入射激光束的光斑尺寸时，激光辐射到薄膜杂质部分的几率将改变，从而改变了激光损伤阈值。实验中，对于同一块薄膜，辐射激光的光斑越大，杂质缺陷落入辐照区的几率就越高，损伤阈值就越低，当光斑大到一定程度，在光斑内总是存在容易破坏的缺陷，则破坏阈值就稳定在缺陷的破坏阈值上。此外，在光斑大小不同的情况下，保持激光照射能量密度的相同，我们发现激光在光斑内能量沉积的总和是不一样的，这导致了薄膜内温度场的分布不均，在大光斑内杂质吸收的激光辐射温度最大值高于小光斑内的温度最大值，这也就导致了薄膜破坏阈值的降低。(3)激光脉宽 通过观察总结，研究人员得出，通常情况下，随着激光脉宽的减小，激光对薄膜的损伤愈不理想，即光学薄膜激光损伤阈值越小，我们称之为脉宽效应。所以激光脉宽是影响薄膜损伤阈值的重要参数，因为脉宽越短，激光功率就越高，激光对材料的损伤越大，薄膜损伤阈值也就越低。表示为：Ith tpmIth是激光功率损伤阈值，tp是激光脉宽，一般来说，m的取值与所选材料，制备工艺以及膜系的不同有关，其选择范围为0.3m0.5，典型的 m 取值在 0.35 附近。当然，同一薄膜对于不同的激光波长和脉冲宽度，其规律也不一样。（4）多脉冲激光 在通常情况下，随着激光脉冲个数的增多，激光损伤阈值会减小。而多脉冲激光对光学薄膜的损伤规律也和单脉冲有所不同。中国科学院上海光机所高卫东博士通过实验测定在单脉冲激光作用下 HfO2/SiO2高反膜的损伤阈值为 16.8J/cm2，在多脉冲激光作用下， HfO2/SiO2的损伤阈值如表 3.1 所示。 通过图表我们知道随着脉冲数的增加 HfO2/SiO2高反膜的损伤阈值出现了明显的下降。 多脉冲激光对薄膜损伤阈值的影响有两种解释：一种认为多脉冲激光损伤是薄膜材料内部的微观缺陷吸收激光能量后的非线性发展积累过程。薄膜上因工艺制作而有不可避免的微观缺陷，缺陷吸收激光照射能量效率更高，于是在材料内部形成局部高温，当温度达到一定程度时，材料缺陷处就会热爆炸、电子崩电离等过程，从而使缺陷进一步扩大。每个微观缺陷的发展和爆炸，都将增加对后续激光的脉冲的吸收，并导致更大的微观损伤的发生，最终导致薄膜元件破坏性的损伤。另一种说法是多脉冲激光损伤是一个热积累过程，随着脉冲数的逐步增加，能量也逐步增加，从而使薄膜辐照区温度升高，当温升达到一定程度时，就会使得材料在宏观上表现出破坏。当然脉冲强度不能低于最小值，否则再多的激光脉冲也不会对材料产生损伤。(5)激光模式 一般来说，用多模激光照射光学薄膜时，薄膜材料的损伤阈值要比在单模激光的情况下低得多。当激光束偏振状态以及入射角不同时，损伤阈值也可能会有很大不同。 3.2薄膜影响因素（1）薄膜材料特性 关于薄膜材料的选择，我们会考虑其光学性能（折射率、消光系数、高低折射率的配比），机械性能（弹性模量、累积应力、机械牢固度等）。这些参数考虑对薄膜元件的性能和损伤阈值将产生直接影响。在薄膜的光学特性方面，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越少。对于薄膜的机械特性来说，薄膜材料的比热容、热导率、热膨胀、熔点以及弹性模量则更重要，这些因素直接决定了薄膜在激光温度场和电场中的特性。对于抗激光薄膜材料来说，一般地，我们偏向于对激光能量吸收小、热传导快、热容大的薄膜材料。常用镀膜材料的部分物理参数如表 3.2 所示。(2)薄膜厚度、基体特性对激光损伤的影响 通常上，激光对薄膜的损伤阈值会随着薄膜的厚度而降低，被称之为“厚度效应”，而且随着薄膜厚度的增加，缺陷的几率会增大，缺陷较多，其所在处吸收激光也更加强烈，导致破坏阈值降低7。薄膜内的驻波也会因薄膜厚度的变化而变化，当用激光照射时，薄膜内光场发生变化，也会影响破坏阈值。薄膜表面吸收激光能量是不一致的，于是我们在表面吸收和体吸收方面进行分析。 制作工艺会决定基体的表面粗糙度，从而直接影响到薄膜性能。经研究，因为在粗糙的基体表面上，各处存在较大吸附能差，在吸附能较高的吸附位置容易形成核，即优先核生长，所以得到的薄膜多孔洞且疏松。而在较平滑的表面上，缺陷相对较少，吸附能差异很小且均匀分布，得到的薄膜均匀且致密。因所选材料、工艺制备的不同，基体特性对薄膜的破坏阈值有极大的影响。 (3)薄膜杂质缺陷的影响 关于薄膜，缺陷是导致其受激光损伤的薄弱环节。这些缺陷有的是材料中引入的，有的是基体的加工、清洗、处理中引入的，有的是在抽真空时和气体中引入的，有的是在蒸镀过程中由于膜材料喷溅和分解、放电、辐射以及薄膜结构变化而形成的。这些缺陷有杂质、节瘤、包裹物、气孔、针眼、沟槽以及应力缺陷、化学缺陷、电致缺陷、结构缺陷和热缺陷等8。因缺陷的存在，首先会使薄膜局部电场发生变化，从而导致缺陷附近局部电场的增强。其次电场的变化诱发温度分布的变化，被激光照射时，杂质和缺陷处吸收率较薄膜表面其它部分更大，在材料表面形成局部高温。最后热量的积累使薄膜材料局部区域膨胀，导致力场发生变化，当其超过材料破裂的临界强度时，薄膜就会发生损伤。经研究，缺陷是薄膜受激损伤坏的主要因素，所以减小或消除薄膜中的各种缺陷是目前我们所能提高薄膜抗激光损伤的明智举措。 (4)薄膜制备技术对损伤阈值的影响 制备工艺是在薄膜材料和膜系选定之后，保证表面性能的关键环节。关于制备工艺，光学薄膜的沉积技术主要有物理蒸汽沉积、溅射沉积、化学气相沉积和化学溶液沉积。为满足所需薄膜不同的材料、不同的性能要求，要在以上沉积方法中选择最合适的，不仅要考虑制备出的薄膜的性能，还要考虑到成本和产品工艺的稳定性。热蒸发沉积的基本原理是在真空条件下用电阻，电子束或其它加热手段把膜材料气化，使其沉积在基体上形成所需要的膜层。其制备方法简单，控制简易，制备灵活，有较高的损伤阈值，但其缺点是在加工过程中膜材料化合物会失去某些成分，制备的薄膜疏松、多孔，薄膜也会被蒸发源污染。激光损伤阈值难以进一步提高。 离子束溅射是物理溅射沉积技术一种，不仅可以获得高纯度和高致密性的薄膜，而且可以获得低散射性的薄膜9。它利用离子源发射的高能离子（5001500eV）轰击膜材料制成的靶面，使材料分子脱离靶面并携带一定的动能达到基体，形成薄膜。而且离子溅射在高真空下进行，从而避免了等离子体气氛对薄膜的污染，使薄膜的纯度更高。 化学气相沉积是借助于不同气体之间的化学反应在基体上沉积所需要的薄膜的方法，用这种方法可以获得纯度较高的薄膜，这是一般物理气相沉积技术无法比拟的。利用化学气相沉积技术既可制备单质薄膜，又可制备化合物薄膜; 溶胶凝胶镀膜可以在室温下以浸泡或自旋的方式进行，是在大体积光学基体上镀膜的技术，成本很低。这种镀膜需要预先准备金属氧化物溶液，然后通过水溶作用或者加热作用将这类物质转换成凝胶氧化物。利用溶胶凝胶膜能够得到非常高的损伤阈值，溶胶凝胶膜的缺点是本性脆弱，难以对光学表面进行清洁。 4.结论薄膜在现代科学技术中扮演着重要的角色，随着激光技术的发展，薄膜在这个领域的应用越来越广泛。因激光向着产业化方面的发展,所以光学薄膜也正从实验室过渡到批量生产,走向产业化工业化生产,这就使得薄膜工作者要考虑材料、工艺、可靠性及成品率,来适应生产的需要。文章重点介绍了影响光学薄膜受激光照射使其损伤的阈值因素，在激光技术中，我们应用较多的光学薄膜是增透膜，反射膜，干涉滤波片。而且随着激光能量的增加，制备高损伤阈值的光学薄膜是激光薄膜研究的重点。文章还介绍了光学薄膜在激光测距望远镜成像和测距过