長(zhǎng)脈沖激光輻照下多孔薄膜激光損傷機(jī)制研究.pdf

1、光學(xué)薄膜是激光系統(tǒng)的重要元件,溶膠-凝膠法制備的多孔光學(xué)薄膜在長(zhǎng)脈沖高功率激光器中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,但是其損傷閾值卻成了長(zhǎng)脈沖激光器向更大功率發(fā)展的瓶頸。因此研究長(zhǎng)脈沖激光輻照下多孔薄膜的激光損傷特性與機(jī)制,對(duì)提高長(zhǎng)脈沖激光器的功率非常重要。
　　 本課題首先采用多種工藝制備了一批具有一定光學(xué)特性的多孔薄膜,采用差熱-熱重法分析硅溶膠制定了多孔氧化硅薄膜的干燥燒結(jié)工藝,場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡表征了多孔薄膜的顯微結(jié)構(gòu),分光光度計(jì)表

2、征了多孔薄膜的透射特性,熱-電法測(cè)試了典型多孔薄膜的吸收特性,納米壓痕儀測(cè)試了部分多孔薄膜的顯微力學(xué)性能；采用1064nm,12ns,Nd:YAG激光器,1-on-1模式測(cè)試了多孔薄膜的損傷閾值,采用光學(xué)顯微鏡及場(chǎng)發(fā)生掃描電子顯微鏡表征了損傷斑形貌；建立兩結(jié)果微滴模型和四結(jié)果微滴模型分析了薄膜發(fā)生損傷后的等離子體霧化及膨脹過(guò)程,然后結(jié)合霧化和膨脹機(jī)理模擬了等離子體爆炸過(guò)程中各種參數(shù)的演化。
　　 研究發(fā)現(xiàn):通過(guò)調(diào)整氨水比例和DM

3、F的含量,可以得到不同顆粒尺寸和堆積方式的薄膜,有良好的增透效果,其薄膜損傷閾值強(qiáng)烈依賴與薄膜內(nèi)氧化硅顆粒尺寸的大小和堆積方式;玻璃基多孔氧化鋁薄膜中的孔呈六方排列,通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以得到不同結(jié)構(gòu)的多孔薄膜,其損傷閾值很小,隨著氧化電壓的增大,硫酸電解液制備的多孔氧化鋁膜抗激光損傷能力略有增強(qiáng)。
　　 三種電解液工藝下制備的氧化鋁多孔膜損傷斑明顯不同,草酸氧化鋁多孔膜損傷斑點(diǎn)外緣有類似于“爆炸”時(shí)形成的“菊花”狀散射波痕跡,由

4、中心向外輻射；硫酸氧化鋁多孔膜損傷斑點(diǎn)外緣沒(méi)有散射波痕跡,而是分布有與斑點(diǎn)內(nèi)大小相同的損傷坑；磷酸氧化鋁多孔膜損傷斑點(diǎn)內(nèi)的損傷坑尺寸不一致,同時(shí)有大塊已損傷膜被剝離,損傷斑外緣同樣沒(méi)有散射波痕跡和輕微的損傷坑,損傷斑外延是在力的作用下發(fā)生的脆性斷裂。
　　 多孔薄膜在長(zhǎng)脈沖激光輻照作用下,薄膜內(nèi)缺陷或者雜質(zhì)首先吸收激光能量,形成高壓高密度等離子體球體,等離子球體繼續(xù)吸收激光能量獲得霧化動(dòng)力,在霧化過(guò)程中多結(jié)果微滴霧化機(jī)制越傾向于

5、占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)；可以通過(guò)減小微滴噴濺初期的電子密度、電子溫度、離子溫度以及延緩微滴噴濺發(fā)生的時(shí)間,降低其霧化程度,控制微滴對(duì)激光能量的吸收和利用,降低材料激光損傷過(guò)程后期的等離子體微滴爆炸的劇烈程度；微滴膨脹過(guò)程中,隨半徑的增加外殼層膨脹速度在初始階段迅速增加,隨后趨于穩(wěn)定。微滴膨脹過(guò)程中,電子密度不斷下降,當(dāng)電子密度為臨界電子密度的3倍時(shí),等離子體吸收出現(xiàn)共振吸收峰。綜合考慮裂解霧化和膨脹的影響,等離子體爆炸開(kāi)始時(shí)間越早,則后續(xù)演化越復(fù)雜