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光学薄膜激光损伤检测研究的背景和意义

导读: 光学薄膜几乎是所有光学系统中不可缺少的基本元件,并且也是激光系统中最薄弱的环节之一。长期以来,激光对光学薄膜的破坏一直是限制激光向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”,也是影响高功率激光薄膜元件使用寿命的主因。

  自从激光问世以来,光与物质相互作用这一重要科学领域得到了新的开拓。六十年代初,随着调Q激光器的出现,激光对物质的破坏作用就为人们所察觉。随着激光器研究的发展以及高功率激光器的出现,人们发现,光学器件本身所能承受的抗破坏能力已成为限制激光器有用输出功率提高的重要因素之一,因此,激光对材料的损伤就成了激光研究领域中的一项重要课题。

  光学薄膜几乎是所有光学系统中不可缺少的基本元件,并且也是激光系统中最薄弱的环节之一。长期以来,激光对光学薄膜的破坏一直是限制激光向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”,也是影响高功率激光薄膜元件使用寿命的主因。另一方面,光学薄膜也是导弹、遥感卫星等航天飞行器中导引、定位、遥感甚至能源系统中的重要组成元件,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。光学薄膜中即使出现十分微小的瑕疵,也会导致输出光束质量的下降,严重时将引起整个系统的瘫痪,光学薄膜的抗损伤特性将直接影响到整个系统的设计方案以及今后系统运行的性能。所以,研究光学薄膜的抗激光破坏问题具有非常重要的意义。

  然而,激光对光学薄膜的损伤是一个复杂的过程,它由作用激光(重复频率、波长、脉宽、偏振态、模式、光斑、辐照方式等)和光学薄膜的性质(薄膜光学特性、膜料、制备工艺、薄膜结构、缺陷密度等)两方面决定。不同的激光参数条件对同一薄膜会产生不同的损伤结果。不仅如此,由于薄膜激光损伤是薄膜与强相干辐射相互作用的结果,在强相干辐射作用下,薄膜元件具有许多新的行为,而这些行为通常难以用经典薄膜光学理论进行解释。因此,研究薄膜激光损伤,分析薄膜与强激光相互作用的过程及其结果,将会促进强激光材料科学,强激光薄膜光学等新学科的形成与完善,因此具有重要的学术意义。

  1、光学薄膜激光损伤机理研究进展

  当激光强度达到足够高的量级时,材料将发生一系列不可逆的灾难性的变化,通常将这种现象称为损伤。在过去的30年间,对激光诱导光学材料和膜层损伤的理论、物理机制、损伤的检测以及提高材料抗损伤的方法研究已经成为高功率激光研究的一个重要领域,SPIE激光损伤专题国际学术会议年年召开,与会者众多,足以说明激光诱导损伤问题的复杂性。激光对光学薄膜的损伤过程是一个复杂的过程,对于不同的薄膜材料、制备方法、激光参数和作用模式[,破坏过程和损伤机理都有很大差异性,这里包含了激光作用的光学力学过程、场击穿过程等,但最基本的还是热过程,光通过本征吸收、杂质吸收和非线性吸收转化为热,由热熔融或热力耦合导致薄膜的最终损伤。在大量的实验研究与理论分析的基础上,人们提出了雪崩离化、多光子吸收、杂质吸收、节瘤缺陷以及热爆炸模型破坏,等破坏机制,当然这些机制并不是普适的,在激光与薄膜相互作用过程中可能包括了多个过程或多种机制的耦合,由于破坏过程时间短,作用区域小,大多数分析都只能是针对破坏后的特性进行的,这给确切了解破坏过程带来很大难度。

  综合来说,多种机制的产生一方面说明激光与薄膜相互作用过程的复杂性,而另一方面也说明了人们对光学薄膜的激光损伤机制的认识是在不断地发展的。虽然各种机制都有其局限性,都是试图从某一个角度出发对激光与薄膜作用过程进行阐释,但在实际工作中,各种机制都为我们进一步提高薄膜的抗激光损伤性能指明了方向。理论界的工作者已倾向于综合考虑以多种机理的融合、贯通以求建立更完整的理论模型。几十年来,高功率激光薄膜及其激光破坏问题得到了长足的改进和发展。

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