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1、光学薄膜在高功率激光系统中的应用范正修研究员2005年10月27日目录前言膜系种类薄膜中的驻波场与温度场激光对光学薄膜损伤的基本过程薄膜的工艺过程薄膜的沉积技术薄膜的性能改善前言光学薄膜是高功率激光系统中的重要元件，也是所有元件中最薄弱的环节。重要性（1）薄膜性能优劣很大程度上决定了激光输出的性能（2）损伤阈值更是限制了激光输出的强弱并危及激光系统的安全运行因此，不断改进薄膜性能，提高薄膜的抗激光强度，发展新的薄膜技术，一直是国际薄膜界和激光界共同关心的问题。前言高功率激光所需的主要薄膜的种类：不同角度的高反射膜、增透膜，
2、不同尺寸的偏振膜，不同光强比和偏振比的分光膜，不同谐波，不同要求的倍频膜以及各种各样的波长分离膜等，新型薄膜元件超短脉冲激光所需要的啁啾薄膜，脉冲压缩用的光栅薄膜，空间分布调整用的高斯反射膜，全固化技术用的多波长薄膜、超低损耗高反射膜前言研究薄膜的激光破坏机理,在确保薄膜具有一定性能的基础上,不断提高薄膜的破坏阈值,一直是高功率激光薄膜的中心工作.与抗激光损伤阈值相关的研究：分析了薄膜内不同类型的缺陷对薄膜破坏阈值的影响,研究了薄膜制备工艺,薄膜结构,薄膜应力对激光破坏的影响,实时研究了薄膜破坏发展过程,计算分析了激光在薄
3、膜中的驻波场分布,提出了激光保护膜的概念,采用保护膜技术使薄膜的破坏阈值得到明显提高.前言薄膜制备技术：磁控溅射技术,离子束溅射技术,离子镀技术,化学气相沉积技术以及溶胶-凝胶技术。离子束溅射和溶胶-凝胶技术,不仅分别在超高性能激光反射膜,超窄带干射滤光片和高功率激光减反射膜的制备中发挥了重要作用,而且将在其他高功率薄膜技术中发挥更大作用.测试技术：各种表面测试技术,用于激光薄膜的组份,价态和杂质分析,Nomarski显微镜用来进行薄膜破坏表面的实时监测,原子力显微镜用于薄膜表面和损伤形貌的三维分析。光热测量技术的应用,对
4、高功率激光薄膜的性能的改进,起到重要的作用,前言光学薄膜破坏阈值的改进和提高主要有两个方面：（1）激光予处理技术（使HfO2/SiO2多层膜的破坏阈值提高了两倍以上）（2）节瘤缺陷的控制与检测技术。（激光反射膜的N-on-1破坏阈值可以达到百焦耳/cm2量级）前言随着激光技术的不断发展,随着全固化激光,超强,超快激光,各种类型的紫外,深紫外乃至X射线激光,以及应用于能源,加工,信息等各个领域的新型激光系统,激光技术的不断的涌现和发展,不同类型的光学薄膜元件不断出现更高,更新,更难的要求也不断被提出,激光对光学薄膜的破坏,特
5、别是紫外,深紫外激光薄膜,高平均功率,高峰值功率激光薄膜以及多功能复合,集成薄膜的破坏问题还将是激光薄膜研究的重点.理想的光学薄膜光学薄膜是一种用于改变光束传输特性的光学元件，应用的薄膜器件两种目的：（1）改变光束切向传播特性的称为薄膜波导，改变光束法向传播特性的称为光学薄膜。（2）光学薄膜几乎在所有与光有关的系统或设备中出现，起到增加透射，加强反射，折射光束起偏，检偏，分割光谱和光强，调节位相等作用。理想的光学薄膜光学薄膜是由特定光学常数和厚度的分层介质组成的，理想而典型的光学薄膜与层之间相互平行，界面光滑而界线分明，在
6、此基础上建立起光学薄膜的基本理论——薄膜光学。薄膜光学理论基础是干涉光学，在一个多层膜系中，光束将在每一个界面上多次反射，因此涉及到大量光束的干涉叠加问题，直接计算几乎是不可能的，行之有效的计算方法主要有递推法和矩阵法。递推法是把前面所有膜层等效为一个界面，用总的反射系数和位相来表示。总体性质，则由矩阵的联合来表达。理想的光学薄膜用E+，H＋表示正向传播的电场矢量和磁场矢量，E－，H－表示反向传播的电场矢量和磁场矢量，则有：根据电磁场在界面上的连续性条件，对E=0界面:理想的光学薄膜由则有（）=对z=0界面:理想的光学薄膜
7、则有分别为界面反射系数和透射系数，依次类推：=理想的光学薄膜设：,则理想的光学薄膜薄膜的吸收式中为复折射率；为折射率；为消光系数。从光的电磁理论出发，光吸收主要是由导电系数引起的。当介质的导电系数为0时，介质的折射率不是实数而变为复数。即薄膜的吸收1.折射角设入射介质消光系数为零，由折射定率,设则有薄膜的吸收式中薄膜的吸收2.等效导纳令,则令,则薄膜的吸收3.反射系数和透射系数对于，界面s分量：令又令薄膜的吸收则令则薄膜的吸收令则薄膜的吸收P分量：令又令薄膜的吸收则令薄膜的吸收则薄膜的吸收薄膜的吸收4.膜层厚度引起的位相差
8、由令则光学薄膜的表面散射实际光学薄膜表面不论是厚度或是折射率都会有一定的起伏，从而形成表面的粗糙度或不平整度。表面的不平整结构主要有两类，一类是基础加工或制膜过程中形成的宏观的划痕，条纹、麻点、粗糙和针孔等缺陷，另一类是微观尺寸的统计起伏。前者是长距离分散的，后者则是紧密相连彼此相关的。其典型的参数均方
