長脈沖激光輻照下多孔薄膜激光損傷機制研究.pdf

1、光學薄膜是激光系統(tǒng)的重要元件,溶膠-凝膠法制備的多孔光學薄膜在長脈沖高功率激光器中已經得到了廣泛應用,但是其損傷閾值卻成了長脈沖激光器向更大功率發(fā)展的瓶頸。因此研究長脈沖激光輻照下多孔薄膜的激光損傷特性與機制,對提高長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工藝,場發(fā)射掃描電子顯微鏡表征了多孔薄膜的顯微結構,分光光度計表

2、征了多孔薄膜的透射特性,熱-電法測試了典型多孔薄膜的吸收特性,納米壓痕儀測試了部分多孔薄膜的顯微力學性能；采用1064nm,12ns,Nd:YAG激光器,1-on-1模式測試了多孔薄膜的損傷閾值,采用光學顯微鏡及場發(fā)生掃描電子顯微鏡表征了損傷斑形貌；建立兩結果微滴模型和四結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程,然后結合霧化和膨脹機理模擬了等離子體爆炸過程中各種參數的演化。
　　 研究發(fā)現:通過調整氨水比例和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,其薄膜損傷閾值強烈依賴與薄膜內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,通過改變實驗參數可以得到不同結構的多孔薄膜,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。
　　 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外緣有類似于“爆炸”時形成的“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外緣沒有散射波痕跡,而是分布有與斑點內大小相同的損傷坑；磷酸氧化鋁多孔膜損傷斑點內的損傷坑尺寸不一致,同時有大塊已損傷膜被剝離,損傷斑外緣同樣沒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。
　　 多孔薄膜在長脈沖激光輻照作用下,薄膜內缺陷或者雜質首先吸收激光能量,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力,在霧化過程中多結果微滴霧化機制越傾向于

5、占主導優(yōu)勢；可以通過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)生的時間,降低其霧化程度,控制微滴對激光能量的吸收和利用,降低材料激光損傷過程后期的等離子體微滴爆炸的劇烈程度；微滴膨脹過程中,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。微滴膨脹過程中,電子密度不斷下降,當電子密度為臨界電子密度的3倍時,等離子體吸收出現共振吸收峰。綜合考慮裂解霧化和膨脹的影響,等離子體爆炸開始時間越早,則后續(xù)演化越復雜