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《Q开关NdYAG脉冲激光对红外滤光片的损伤效应》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第14卷 第5期强激光与粒子束Vol.14,No.52002年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2002文章编号:100124322(2002)0520677204XQ开关Nd:YAG脉冲激光对红外滤光片的损伤效应1,2122313袁永华, 刘颂豪, 孙承纬, 罗 福, 范正修, 廖常俊, 胡海洋(1.华南师范大学量子电子学研究所,广东广州100008;2.中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900;3.中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800) 摘 要:介绍了由滤光片膜层结构决定的激光在光学薄膜中形成温
2、度场及驻波场特性。用1.06μm调Q2Nd:YAG激光器,在激光脉冲宽度10ns和光斑直径0.61μm的条件下,进行了激光辐照红外滤光片的损伤特性实验研究。根据脉冲激光辐照红外滤光片后样品损伤分析,发现滤光片的最初损伤发生在里面的膜层中,从而在实验上验证了计算得到的滤光片膜层中存在其温度场及驻波场的结果。它对提高红外滤光片的抗激光辐照能力研究具有一定的参考价值。 关键词:激光辐照效应; 红外滤光片; 光学薄膜; 温度场; 驻波场; 激光损伤 中图分类号:TN24文献标识码:A 光学薄膜元件,如反射镜、镀增透膜的光学元件和红外滤光片,是红外光学系统的重要的组成部分
3、。一般,光学薄膜的激光损伤阈值是光学元件裸表面损伤阈值的1/2～1/4。所以,光学薄膜的激光破坏以及抗激光破[1～4]坏的问题已越来越突出,它一直是研究人员关注的热点问题。 除了薄膜材料对激光的吸收之外,更应考虑到红外滤光片中驻波场的存在会引起共振吸收。为了研究激光对红外滤光片的损伤特性,本文首先分析了红外滤光片内存在的温度场及驻波场分布,从理论上说明了激光辐照红外滤光片的初始损伤不但包括红外滤光片表面膜层损伤,而且还包括最初膜层破坏的发生不是在红外滤光片的表面膜层,而是在内层的薄膜层首先引起破坏。它们的破坏特性与红外滤光片膜层结构的设计有关,并且通过激光辐照红外滤
4、光片的实验结果验证了这一现象。1 激光辐照在光学薄膜中引起的温度场及驻波场[5,6]1.1 激光辐照在光学薄膜中引起的温度场 在考虑薄膜的温度分布时,假设激光光束是与广延方向无限大的凝聚态薄膜相互作用,而且激光光束的横截面能量呈高斯分布。因此,介质薄膜吸收的激光能量转化为膜料中的温度分布也可用高斯分布描述为T(r)=TMexp(-ε’r)(1)式中:TM为光斑中心的最高温度;T(r)为距光斑中心距离为r处的温度;ε’为透镜参数,它与聚焦透镜实际通光口径、焦距和作用激光波长有关。 激光与光学薄膜相互作用的温度场可用求解三维固体中热传导的微分方程来给出。在假设K,ρ,
5、C不随温度变化,材料是均匀而各向同性的,在初始时间t=0,初始温度T0=0,激光脉冲与光学薄膜作用的温度可作为点热源Q的传播过程来考虑,温度场分布满足2Q-RT(R,t)=3/2e4αt(2)cλ(4παt)2222-1-1式中:R=x+y+z,是从点源O到任意点(x,y,z)距离的平方;λ为导热系数(W·cm·K);c为比热-1-132容(J·mg·K);ρ为密度(mg/cm);α=λ/ρc为热扩散系数(cm/s)。1.2 激光在光学薄膜中引起的驻波场 激光具有良好的相干性,当激光通过光学薄膜时,不仅反射光束之间将发生干涉,而且反射光与入射光之间也会产生干涉。这种
6、相向进行的入射光与反射光束之间产生干涉叠加的结果是在薄膜中形成驻波。对多层薄膜而言,激光在每层膜中都将形成驻波。-+[7] 如设全部光学膜层的反射比为ρR,应有E0/E0=ρR,可得第j层界面上的光场分布X收稿日期:2001210210;修订日期:2002204224基金项目:国家863激光技术领域资助课题作者简介:袁永华(19552),男,研究员,博士生,研究方向为激光效应和光电子技术;绵阳9192113信箱。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.678强激光与粒子束第14卷j
7、E+∏τTi-i-ρi2ji=2R(j-1)1-ρRi1+=j-1××E0(3)--ρiρEj2R(j-1)i-ρR11R∏(1-ρRi)i=1 按照驻波场理论,驻波波腹处光强最大,因而对薄膜的破坏也从该处开始。考虑到驻波场的波腹并不一定位于膜层的表面,因而激光与光学薄膜作用的场效应将可能导致膜层从非表面某处开始破坏。而在开始破坏+-+-处,可由驻波波腹Ej与入射波Ej和反射波Ej的关系Ej=Ej+Ej,得到第j层界面上驻波场的相对强度分布为E2τ2τ2τ2jTjT(j-1)T12+=⋯(1+ρR),j为奇数(4)E01+ρRj1-ρR(j-1)1
