Al基反射膜的激光损伤阈值研究_刘涛.pdf

第 卷第期 年月光学技术 文章编号：（）基反射膜的激光损伤阈值研究刘涛，朱华新，曹建军，胡立发，章汪维，陈晓家（江南大学 理学院，江苏 无锡 ）（江苏省轻工光电工程技术研究中心，江苏 无锡 ）摘要：为研究金属 保护、单周期及双周期增强反射膜在 脉宽的 激光器下的激光损伤阈值（），采用 软件进行仿真及分析，仿真过程引入 和 的拉伸强度（膜层断裂应力）作为阈值条件，得到三种膜系的损伤阈值分别为 、和 ，通过搭建实验平台进行激光阈值测试，采用 模式，选取 概率的激光损伤点作为损伤阈值，测得激光功率分别为 、及 ，与仿真结果较为接近，说明采用拉伸强度分析的该类模型更符合实际损伤，为此类膜系在实际应用中阈值的预测提供了理论基础。关键词：反射膜；激光损伤；拉伸强度中图分类号：文献标识码：，（，）（，）：（），（），：；收稿日期：；收到修改稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年基金（）；江苏省轻工光电工程技术研究中心（）。作者简介：刘涛（），男，硕士研究生，从事光学薄膜设计、制备及检测方面的研究。朱华新（），男，副教授，博士，从事光学薄膜设计、制备及检测方面的研究。通讯作者：DOI:10.13741/ki.11-1879/o4.2023.02.006引言随着高功率激光器的发展，实验所需激光器的输出能量越来越高，而激光系统中光学薄膜元件的抗激光损伤性能（，）是制约高功率激光器发展的重要因素。反射膜有着较高的反射率，能够有效的改变光路，在激光系统中普遍使用，但是激光系统中镀制光学反射膜的光学元件在较高的热效应和电场力作用下极易受到损害，会大大影响到激光系统的光束质量，导致整个系统工作效率及使用年限降低。而实际中激光诱导薄膜损伤是一个较为复杂的过程，与外因激光的脉宽、波长、频率、光斑尺寸以及模式等和内因膜层材料、结构及缺陷有关，在对这些损伤因素大量的研究后，目前光学薄膜的损伤普遍认为是薄膜缺陷吸收能量产生的热和材料导带中自由电子产生电场，相关的研究者对于这两种损伤机理已经构建了比较完善的理论模型。对于激光损伤的阈值研究，大部分论文只针对于全介质型的反射膜或增透膜，固然这些膜层的损伤阈值相对较高，但对于部分激光不算太高的光学系统，在相同的反射率要求的前提下，采用金属或金属增强的反射膜对于实际镀制更易实现，但相关文献对此类膜系在实际中的激光损伤阈值讨论相对较少，因此，本文将深入探讨和研究 及其对应介质增强类型的膜系在波长 ，脉宽 纳秒脉冲激光下辐射的过程。金属 及介质增强反射膜设计及制备高反射率的光学薄膜在制备时需要从材料库中选取合适的折射率材料，然后根据相应的反射膜理论模型与反射率之 间 的关 系来 获 取 高 反 射 率 膜系。光束经空气垂直入射在镀以折射率为和的多层介质膜的金属反射膜（附着在金属膜折射率 上），那么此时的各层间折射率与反射率的关系为（）（）（）（）（）由式（）可得金属介质反射膜是随值越大或者层数越多时，反射率越高，其中是镀制在金属膜上的高低折射率介质层周期数。通过上述金属反射膜和介质反射膜的折射率与反射率间的关系，利用 膜系仿真设计软件分别在以 为基底的材料上（中心波长 ，入射角度）建立不同的金属介质反射膜的初始结构 以 作为第一层膜层，镀制不同周期的低折射率 （）和高折射率 （）的介质层材料。设计初始结构分别为 （保护反射膜）、（单周期增强反射膜）和 （双周期增强反射膜）。其中 为基底材料 ，为空气。根据膜系材料厚度参数 、和 ，分别制备了三种膜系样品，实验样品镀制时选用抛光洁净的（）作为基底材料，利用 箱式真空镀膜设备电子束蒸发沉积，为减小 基本身沉积过程的氧化问题，在超高真空度（）和高速率（埃以上）条件下沉积，并且在沉积 膜层前，用 离子源进行轰击，此过程 离子轰击 ，这样氧化层厚度进一步得到抑制，减少后续 膜层的沉积缺陷。晶控检测所设计膜层材料的生长厚度，采用 的 分光光度计分别检测制备好的样品反射率，测试角度为，测试曲线如图所示。图三种反射膜的反射率曲线测试曲线表明，随着介质增强层周期的增加，中心波长 的反射率逐步提高，与设计结果相符，三种膜系在 处的反射率分别为 、和 ，但反射带宽逐渐压缩。因此，重点研究 的激光损伤阈值。金属 及介质增强反射膜激光损伤过程 反射膜温度场及热应力模型将单脉冲高斯激光作用反射膜的过程建立在柱坐标系中，如图所示，利用 瞬态热温度场模块仿真激光照射光学薄膜材料时温度场的变化，理论分析光学薄膜激光损伤的机理及激光损伤过程。首先需要在薄膜表面建立纳秒脉冲高斯激光模型，表示为第期刘涛，等：基反射膜的激光损伤阈值研究图纳秒脉冲高斯激光辐射金属反射膜样品柱坐标模型（，）（）（）（）式中，为反射膜材料的吸收率；为膜层吸收系数；单脉冲高斯激光能量；光斑尺寸；激光脉宽。在反射膜表面的高斯热源形成的温度场效应通过热传导的方式，依次传递至各膜层，此时第层膜热传导方程为（）（，）（）式中，和为第层膜的密度和比热容，此时通过热传导的方式传至第层膜时，其膜内的高斯函数为（，）（）（）（）（）通过式（）对第层反射膜内的温度场求解，可表示为（，）（）（）（）（）式中，和为第层膜层材料的厚度和吸收系数。由于激光辐射在金属 反射膜时，膜层内部沉积光能量使温度场分布不均而产生相应的形变，在这个过程中反射膜层表面产生极大的热应力。通过对温度场变化建立第层反射膜的热应力分布为（，）（，）（，）（，）（）式中，、和为第层反射膜层材料的杨氏模量、泊松比和热膨胀系数；为反射膜样品的半径。有限元仿真激光损伤过程利用 软件研究金属 及其介质增强反射膜在纳秒脉冲高斯激光辐射时的温度场和热应力场变化，通过在三维空间建立 保护、单周期和双周期增强反射膜微观结构模型，依次输入膜层材料和基底 的热物理性质和力学性质参数，如表所示，对金属介质反射膜模型分析时，全局参数中建立初始条件值（环境温度、初始温度）。表光学薄膜材料的热和力学参数材料熔点密度（）比热（）热传导系数（）杨氏模量 泊松比热膨胀系数 为了较为精确的计算反射膜在纳秒脉冲高斯激光辐射下的膜层温度场和热应力场变化，对光学薄膜层划分较为精细的自由三角形网格（如图所示，为三种反射膜的横切面网格划分图）并依据实验的纳秒激光器参数，设置纳秒脉冲激光的脉冲宽度为 和光斑尺寸 ，根据式（）对光源参数进行设置，通过对不同光学薄膜模型的温度场和热应力场瞬态研究，在边界条件中不考虑对流和散射等影响，逐步增加激光的能量输出，分别观 察 反 射 膜 层 材 料 在 层 达 到 熔 融 温 度（）时表面沉积光功率密度分布和形变位移图反射膜样品模型横切面网格划分图光学技术第 卷图金属 保护膜表面沉积光功率密度、形变位移图金属 单周期增强反射膜表面沉积光功率密度、形变位移等情况，如图、和所示。图 为 纳 秒 脉 冲 高 斯 激 光 功 率 密 度 为 时，在温度达到最大值时表面沉积光功率密度最大值 和相应的形变位移最大图金属 双周期增强反射膜表面沉积光功率密度、形变位移为 ；图为纳秒脉冲高斯激光功率密度为 时，在温度达到最大值时表面沉积光功率密度最大值 和相应的形变位移最大为 ；图为纳秒脉冲高斯激光功率密度为 时，在温度达到最大值时表面沉积光功率密度最大值 和相应的形变位移最大为 。通过位移量得知，表面形变位移量逐渐减小，则膜层被损伤的概率也逐渐降低。由于上述过程仅考虑了 熔融状态下，膜层 损伤的因素，其它膜层也因此会有相应的升温，根据式（）、（）及（）可得到其他膜层响应的温度变化，再根据式（）即可算出对应膜层的热应力，对上述 熔融状态下三种膜系的其他介质膜层进行热应力分析，如图所示。根据图（）保护膜中 层的热应力，图（）单周期增强反射膜中 层和 层热应力，图（）双周期增强反射膜中 、和（由 层依次向上沉积顺序，图（）（）（）同此）各层热应力，模拟计算过程仅仅只能计算出各膜层的应力，膜层温度上升，其必然导致膜层热应力上升，应力的上升将导致膜层变形甚至崩裂，如膜层断裂，而仿真过程无法体现膜层的此状态，根据文 献 等及 等 研究，引入拉伸强度的概念，根据文献最大拉伸断裂强度 为 ，为 ，设置这第期刘涛，等：基反射膜的激光损伤阈值研究图纳秒激光辐射介质层的热应力最大值变化曲线两个值为阈值条件，从图中可以看出，在 熔融的激光辐射下，保护、单周期和双周期增强的膜层均有膜层超过对应的拉伸强度，因此，在这种激光辐射下，膜层已经崩裂，需要重新调整激光辐射功率，使得 和 膜层的热应力低于对应的拉伸强度。通过降低入射激光能量密度，以 和 膜层材料的最大拉伸断裂强度作为阈值条件，如图所 示，此 时 保 护 膜 的 激 光 能 量 密 度 为 ，单 周 期 增 强 反 射 膜 的 能 量 密 度 为 ，双周期增强反射膜的激光能量密度为 ，激光能量密度值低于以 层融熔温度（）的激光能量密度值。说明膜层在激光辐射情况下，在未达到 熔融的辐射能量密度下膜层已经崩裂，因此仿真结果三种膜系的激光阈值分别为 、和 。激光损伤测试实验 实验平台搭建为了更为精确的测试反射膜的损伤阈值，通过图调整后纳秒激光辐射金属基介质层的热应力最大值曲线调节待测激光波长和能量，降低光学薄膜其他因素的影响，实验采用 泵浦的光学参量振荡器（，）和 与计算机联动作为激光光源，如图所示，自主搭建光学薄膜损伤阈值测试平台，调节 激光器输出波长 、脉宽 、频率 。纳秒激光光功率计的探头置于光路中，测试系统输出 的激光能量；相机记录光斑的有效面积并且待测样品台采用二维可调节底座，保证脉冲激光经过透镜后聚焦光斑尺寸在 显微镜观察待测样品表面薄膜损伤的数量和形状。实验数据处理根据 激光损伤测试标准，采用 的方式单脉冲辐射个测试点，在实际测试过程中辐照 个样品点，然后在 倍显微镜下观察并记录被辐射点中的损伤点数，依次获得多组不同能量下的损伤几率，为不同梯度能量下的计数，可表示为光学技术第 卷图 基反射膜激光损伤阈值测试平台（）最后将测试的数据在 中建立损伤能量值与损伤几率之间的散点图，根据散点图的分布进行线性拟合，取损伤几率为 的激光能量密度值，即为纳秒激光器 反射膜的损伤阈值。实验测试纳秒激光器波长 ，脉宽 的金属 保护、单周期和双周期增强反射膜的损伤几率，经 数据处理获得如图 所示。图 损伤几率近似线性拟合曲线可以分别得到 保护、单和双周期增强反射膜损伤能量与损伤几率得关系：（）.；（）.；（）.以上三种反射膜系的实验数据取损伤概率为 的能量密度值作为纳秒脉冲激光损伤阈值，此时 保护反射膜的激光损伤阈值为 、单 周 期 增 强 反 射 膜 的 激 光 损 伤 阈 值 为 和 双周期增强反射膜的激光损伤阈值为 ，通过与仿真的结果对比，实验测试的激光阈值均比理论的 、和 要低，分析原因一方面理论仿真是理想条件下，不考虑膜层内部的缺陷，所有参数均是按照块体材料的特性，实际过程中膜层沉积过程存在缺陷，这些缺陷必然是激光损伤的薄弱环节，极易诱导损伤；另一方面激光损伤是一个较为复杂的过程，比如非线性效应，仿真过程无法完全模拟此类动力学的过程，且实际测试过程存在一定的随机性，仿真过程也无法模拟此现象，但仿真过程为实验提供一个指向损伤的阈值范围，从实验测试的激光损伤来看，与仿真部分基本一致，三种膜系的损伤阈值逐步增加，且相同激光能量辐照时损伤概率也在逐步减小。实验现象分析利用 激光损伤阈值实验测试平台，选取纳秒脉冲激光辐射后损伤概率为 时的阈值样品，获得其相应在 倍显微镜下观察以 为基图 保护、单周期和双周期增强反射膜损伤拟合曲线图 增强反射膜在激光阈值时的损伤形貌底的三种反射膜的损伤形貌如图 所示，图（）是在纳秒脉冲激光能量密度为 时的损伤，可以观察到 保护反射膜上被辐射后的清晰的灼烧和电裂式的由中心点向四周发散式损伤痕迹，说明在 激光器辐射下，受到极大的内能和电场力作用，导致光学薄膜出现损伤，而图（）是在激光能量密度 时 单周期增强反射膜和图（）激光能量密度 时的 双周期增强反射膜的损伤形貌，其两种出现明显的热熔融和介质层崩裂式损伤，并且能较为明显的看到表层膜层剥离的现象，也进一步验证