文档介绍：飞秒激光作用下薄膜的阈值损伤到膜层剥落
石峰1,朱志武1,2,程湘爱3,戴一帆1
1. 国防科学技术大学机电工程与自动化学院,湖南长沙,410073
2. 中国人民解放军 63880部队光电对抗试验和评估技术重点实验室,河南洛阳,471003
3. 国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙,410000
摘要:在飞秒单脉冲激光损伤 HfO2/SiO2 薄膜样品实验中,随着激光能量密度升高,观察到膜层从缺陷导致的点损伤发展到整层剥落,损伤区域轮廓逐渐由模糊变清晰的过程。通过计算纳米尺度的颗粒缺陷导致的局部光场,并与干涉场进行对比分析,再结合飞秒激光作用下的等离子体击穿过程,对薄膜损伤行为进行了解释。研究表明,尺度在纳米量级的颗粒缺陷会产生局部的场增强效应,该效应与薄膜干涉场叠加,造成了阈值损伤阶段损伤区域出现大量损伤点,同时由于飞秒强激光对包括均匀分布的缺陷在内的薄膜材料的本征损伤特性,导致薄膜损伤行为较为确定,随着激光能量的提升,薄膜材料出现更大面积的规则烧
蚀区,此时干涉场的作用上升到主导地位,膜层的整层剥落行为掩盖了缺陷的诱导作用。
关键词:飞秒激光;光学薄膜;激光损伤;纳米颗粒缺陷;场增强效应
中图分类号:TB43 文献标识码: A
基金项目:国家自然科学基金项目(51675526, 91323302, 91523101)
作者简介:石峰(1980-),男,辽宁朝阳人,博士教授,主要从事高精密光学加工。Email:@
0 引言
随着激光技术的发展,光学薄膜这一重要光学器件的激光损伤效应受到人们的广泛关注,相关实验和理论研究非常活跃。上世纪70年代,David Milam等学者就从光学薄膜的激光损伤形貌中认识到薄膜缺陷对其激光损伤行为的决定性作用[1]。随着镀膜工艺的改进,尺寸在微米量级的节瘤缺陷至少在局部范围内可以被消除[2],但大量纳米尺度的颗粒缺陷却难以去除。人们关注缺陷的最主要方面是吸收系数高[3],而对缺陷尤其是纳米颗粒缺陷可能引起的场增强效应以及局部光场分布和吸收系数两者的结合研究较少,对这类缺陷造成的局部光场分布在飞秒激光损伤过程中的作用研究尚有不足。相比于长脉冲激光,飞秒激光损伤阈值更加确定[4],损伤形貌更为规则[5],损伤阈值更小[4]。已有研究多采用自由电子激发模型,结合薄膜光场分布,求解脉冲持续过程中材料导带电子浓度的演变,当该浓度达到临界时认为损伤发生[6]。一般认为,超短脉冲损伤行为由材料的本征属性决定,然而薄膜缺陷的密度远高于体材料,而且缺陷本身也能改变局部的光场分布,那么在超短脉冲作用下,缺陷的作用能否忽略,或者在什么情况下可以忽略还需要更充分的讨论。
本文首先开展飞秒激光对薄膜的损伤效应实验研究,观察薄膜在不同激光能量密度下的损伤行为发展,进而通过计算薄膜光场分布,分析包括干涉场增强效应和纳米缺陷引起的场增强效应,再结合飞秒激光作用下的自由电子激发过程,揭示薄膜随着激光能量密度的提升由点损伤发展到膜层剥落的机理。
1 实验
实验采用三块HfO2 /SiO2薄膜样品,标记为1#、2#和3#,采用相同的镀膜工艺,膜系结构如表1所示,H和L分别代表高折射率和低折射率材料在控制波长下的四分之一光学厚度,S为熔石英衬底,Air为空气界面。镀膜控制波长为800nm,衬底厚度5m