高功率激光系统中光学薄膜的现状及发展趋势

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1、万方数据特别报道／光学薄膜高功率激光系统中光学薄膜的现状及发展趋势ProgressandDevelopmentTrendsofOpticalCoatingsinHighPowerLaser范正修魏朝阳(中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院强激光材料科学与技术重点实验室，上海201800)FanZhengxiuW．eiZhaoyang(KeyL曲om幻7可ofHighPowerLaserMaterials，ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics，ChineseAcademyofSc／er配e8，Shanghai201800，China)摘要概

2、括介绍了高功率激光系统光学薄膜的种类及特点，详细阐述了高功率激光薄膜研究进展，并对高功率激光薄膜的研究趋势进行了展望。关键词高功率激光；光学薄膜；激光损伤AbstractVarietiesandcharacteristicsofopticalcoatingsusedinhighpowerlasersystemareintroduced．Developmentsoftheopticalcoatingsusedinhighpowerlaseraredescribedindetailandtheirresearchtrendsareprophesied．Keywordshighpowerlase

3、r；opticalcoating：laserinduceddamage中图分类号：0484doi：10．3788／LOP20094607．00141引言在激光技术和激光应用中，光学薄膜是重要的单元技术之一。业内通常用“灯、棒、膜”来形象地概括激光器的抽运能源、工作物质及谐振腔三大基本构件，其中的抽运能源和工作物质随着激光器的不同而千变万化。但是，不论是哪一种激光器，不论激光技术怎样发展和变化，也不论激光运转或应用到哪一个阶段，光学薄膜始终是不可或缺的关键元件。随着激光技术的发展，光学薄膜的性能越来越高，种类越来越多，结构也越来越新颖。特别是激光核聚变高功率激光系统，不仅对光学薄膜的光学性能

4、提出了更加苛刻的要求，还需要光学薄膜在全口径范围内具有超强的抗激光损伤阈值。光学薄膜的损伤阈值是限制激光器输出强度并危及激光系统安全运行的重要因素。事实证明，国内大口径激光薄膜损伤阈值的限制是现有神光系列激光装置低于美国国家点火装置(NIF)运行通量的主要原因之一。高功率激光器14苴辫与H电寻字进展2009．07系统所需的主要薄膜包括不同角度的高反膜、增透膜，不同尺寸的偏振膜，不同光强比和分光比的分光膜，不同谐波、不同要求的倍频膜，各种波长的分离膜以及近年来随激光技术发展而出现的一些新型薄膜元件，如超短脉冲激光所需的啁啾薄膜、脉冲压缩用的光栅薄膜、光强空间分布调整用的高斯反射膜、全固化激光

5、技术用的多波长薄膜等。对高功率激光系统来说，无论哪种薄膜都有共同的要求：高激光损伤阈值和理想的光学性能。2高功率激光薄膜研究进展为了应对高功率激光系统对光学薄膜元件性能的要求，在确保薄膜具有一定性能的基础上，提高薄膜的激光损伤阈值，一直是高功率激光薄膜的中心工作。激光薄膜研制已经从单纯考虑薄膜制备技术向损伤机制、测试、膜系设计、基底、膜料、后处理和使用环境控制等多方面环节延伸。万方数据2．1高功率激光薄膜损伤机制认识光学薄膜的激光损伤是提高激光薄膜损伤阈值工作的基础，薄膜的激光损伤一直是高功率激光薄膜研究的热点问题。光学薄膜的激光损伤是一个极其复杂的过程，它取决于激光参数(波长、脉宽、偏振

6、态、模式、光斑和辐照方式等)及光学薄膜的性质(薄膜光学特性、膜料、制备工艺、薄膜结构和缺陷密度等)两方面。对不同的薄膜材料、制备方法、激光参数以及激光辐照方式，损伤过程和损伤机理有很大的差异性Il_引。目前，虽然人们对激光诱导光学薄膜损伤的过程还没有完全清楚，但对于在不同激光脉冲宽度作用下光学薄膜发生损伤的初始吸收机制有了比较明确的认识【4】，如图1所示。同时，人们在不同吸收机制的基础上，陆续提出了光学薄膜损伤的雪崩离化、多光子吸收、节瘤缺陷、热爆炸损伤、热弹损伤以及等离子体爆炸损伤等模型。这些模型并不是普适的，激光与薄膜相互作用过程中往往包括了多个过程及多种过程的耦合。多种模型的建立一方

7、面说明激光与薄膜相互作用过程的复杂性，另一方面也说明了人们对光学薄膜的激光损伤的认识在不断地发展。在对薄膜损伤机制的研究中，比较突出的成果是有关驻波场、温度场的研究，以及基频激光损伤的杂质吸收和节瘤缺陷的研究。在光学薄膜驻波场和温度场损伤的基础上．人们提出了驻波场设计、温度场设计和激光保护膜的概念，目前这些方法已发展为激光薄膜的重要设计方法，而杂质吸收和节瘤缺陷是导致基频激光薄膜损伤的最主要因素。图l不同激光脉冲宽度作用