中紅外激光薄膜的研究與制備.pdf

1、光學薄膜在中紅外激光器、紅外激光探測等系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，它一方面是保證系統(tǒng)實現(xiàn)設計指標的基礎組成部分，同時也是決定系統(tǒng)整體性能、使用壽命和環(huán)境穩(wěn)定性的關鍵因素。隨著中紅外激光武器技術的進步，機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，因此需要光學薄膜對激光功率密度、能量密度有更高的承受能力。無論是OPO激光系統(tǒng)還是紅外光譜探測系統(tǒng)，都對薄膜的光學性能提出了更為復雜的要求，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，這給薄膜的設計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，且厚度遠高于同類型可見光波段薄膜，這不僅對薄膜本身的性能穩(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計和制備工藝具有重要意義。本文重點對中紅外薄膜的破壞機理，紅外材料性能，激光腔鏡和分束鏡的設計制備，以及薄膜損傷閾值測試開展了研究工作，主要涉

3、及以下幾個方面的內容：
　　 1．中紅外薄膜熱場計算。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)展了薄膜的熱場計算模型。將應用于光子晶體領域的高斯頻譜展開法引入熱場計算，可分析激光入射角度、偏振態(tài)、激光尺寸對不同膜系熱場分布的影響，同先前的平面波模型相比，該方法更為接近實際激光入射的情況，也便于深入分析薄膜的熱力耦合損傷機理。
　　 2．分析了紅外薄膜內節(jié)瘤缺陷的電磁場增強效應。膜層內缺陷被認為是導致薄膜損傷

4、最主要的因素，針對中紅外薄膜內的節(jié)瘤缺陷建立了時域有限差分模型，重點研究了節(jié)瘤的深度、種子尺寸、激光入射角度、偏振態(tài)對場增強的影響。結合SEM試驗觀察，總結出限制膜層損傷閾值的缺陷特征：對于中心波長為3.8μm的高反膜，種子直徑大于3μm的較淺節(jié)瘤對激光最為敏感，同時，相對于s偏振態(tài)，p偏振態(tài)激光能夠形成更高的場強峰值。
　　 3．對紅外薄膜材料特性與工藝關系開展了研究。針對YbF3，ZnSe和ZnS三種材料的工藝參數(shù)、光學性能

5、、缺陷密度進行了分析，重點研究了沉積溫度對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．薄膜應力研究。分析了YbF3和ZnSe薄膜應力行為的特點，重點關注工藝參數(shù)對應力的影響，選擇適當?shù)墓に嚄l件保證高低折射率層應力匹配。搭建了一套應力分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過測量薄膜應力與外界溫度的關系分析應力的組成，應力同工藝參數(shù)、基板種類的關系。
　　 5．中紅外多層薄膜的設計和制備。分

6、別設計了應用于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。對薄膜設計中遇到的問題和解決方案進行了詳細描述，給出了薄膜的透、反射率測量曲線，并對薄膜元件進行了環(huán)境試驗，分析薄膜破裂同膜系設計之間的關系，最終保證薄膜元件光學特性、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量。搭建了一套中紅外薄膜激光損傷閾值測試系統(tǒng)，詳細描述了系統(tǒng)的構成和工作原理，并在測試之前對系統(tǒng)的各項參數(shù)進行了測量和標