中紅外激光薄膜的研究與制備.pdf

1、光學(xué)薄膜在中紅外激光器、紅外激光探測(cè)等系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，它一方面是保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)組成部分，同時(shí)也是決定系統(tǒng)整體性能、使用壽命和環(huán)境穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。隨著中紅外激光武器技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)載激光器和單兵作戰(zhàn)武器逐漸向小型化、集成化方向發(fā)展，激光系統(tǒng)輸出的功率密度、能量密度不斷提高，因此需要光學(xué)薄膜對(duì)激光功率密度、能量密度有更高的承受能力。無(wú)論是OPO激光系統(tǒng)還是紅外光譜探測(cè)系統(tǒng)，都對(duì)薄膜的光學(xué)性能提出了更為復(fù)雜的要求，如系統(tǒng)中常

2、用的激光腔鏡、分束鏡、增透膜等薄膜元件多需要滿足多波段光譜的透反要求，這給薄膜的設(shè)計(jì)和制備都帶了較大難度。尤其紅外薄膜多采用牢固性、穩(wěn)定性較差的軟膜材料制備，且厚度遠(yuǎn)高于同類型可見(jiàn)光波段薄膜，這不僅對(duì)薄膜本身的性能穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)，更為提高薄膜的激光損傷閾值帶了更大難題，故而研究中紅外激光薄膜的設(shè)計(jì)和制備工藝具有重要意義。本文重點(diǎn)對(duì)中紅外薄膜的破壞機(jī)理，紅外材料性能，激光腔鏡和分束鏡的設(shè)計(jì)制備，以及薄膜損傷閾值測(cè)試開(kāi)展了研究工作，主要涉

3、及以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
　　 1．中紅外薄膜熱場(chǎng)計(jì)算。鑒于紅外波段材料吸收是引起薄膜損傷的首要原因，建立和發(fā)展了薄膜的熱場(chǎng)計(jì)算模型。將應(yīng)用于光子晶體領(lǐng)域的高斯頻譜展開(kāi)法引入熱場(chǎng)計(jì)算，可分析激光入射角度、偏振態(tài)、激光尺寸對(duì)不同膜系熱場(chǎng)分布的影響，同先前的平面波模型相比，該方法更為接近實(shí)際激光入射的情況，也便于深入分析薄膜的熱力耦合損傷機(jī)理。
　　 2．分析了紅外薄膜內(nèi)節(jié)瘤缺陷的電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。膜層內(nèi)缺陷被認(rèn)為是導(dǎo)致薄膜損傷

4、最主要的因素，針對(duì)中紅外薄膜內(nèi)的節(jié)瘤缺陷建立了時(shí)域有限差分模型，重點(diǎn)研究了節(jié)瘤的深度、種子尺寸、激光入射角度、偏振態(tài)對(duì)場(chǎng)增強(qiáng)的影響。結(jié)合SEM試驗(yàn)觀察，總結(jié)出限制膜層損傷閾值的缺陷特征：對(duì)于中心波長(zhǎng)為3.8μm的高反膜，種子直徑大于3μm的較淺節(jié)瘤對(duì)激光最為敏感，同時(shí)，相對(duì)于s偏振態(tài)，p偏振態(tài)激光能夠形成更高的場(chǎng)強(qiáng)峰值。
　　 3．對(duì)紅外薄膜材料特性與工藝關(guān)系開(kāi)展了研究。針對(duì)YbF3，ZnSe和ZnS三種材料的工藝參數(shù)、光學(xué)性能

5、、缺陷密度進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究了沉積溫度對(duì)YbF3水吸收帶和ZnSe截止吸收帶的影響，為下面章節(jié)多層薄膜的制備摸索最優(yōu)工藝參數(shù)．
　　 4．薄膜應(yīng)力研究。分析了YbF3和ZnSe薄膜應(yīng)力行為的特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響，選擇適當(dāng)?shù)墓に嚄l件保證高低折射率層應(yīng)力匹配。搭建了一套應(yīng)力分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量薄膜應(yīng)力與外界溫度的關(guān)系分析應(yīng)力的組成，應(yīng)力同工藝參數(shù)、基板種類的關(guān)系。
　　 5．中紅外多層薄膜的設(shè)計(jì)和制備。分

6、別設(shè)計(jì)了應(yīng)用于OPO激光系統(tǒng)中的輸入鏡和輸出鏡，晶體增透膜，以及三光合一系統(tǒng)中的分束鏡。對(duì)薄膜設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題和解決方案進(jìn)行了詳細(xì)描述，給出了薄膜的透、反射率測(cè)量曲線，并對(duì)薄膜元件進(jìn)行了環(huán)境試驗(yàn)，分析薄膜破裂同膜系設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，最終保證薄膜元件光學(xué)特性、環(huán)境穩(wěn)定性均符合系統(tǒng)需要。
　　 6．薄膜激光損傷閾值測(cè)量。搭建了一套中紅外薄膜激光損傷閾值測(cè)試系統(tǒng)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，并在測(cè)試之前對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和標(biāo)