长脉冲激光辐照下多孔薄膜激光损伤机制研究

论文摘要

光学薄膜是激光系统的重要元件,溶胶-凝胶法制备的多孔光学薄膜在长脉冲高功率激光器中已经得到了广泛应用,但是其损伤阈值却成了长脉冲激光器向更大功率发展的瓶颈。因此研究长脉冲激光辐照下多孔薄膜的激光损伤特性与机制,对提高长脉冲激光器的功率非常重要。本课题首先采用多种工艺制备了一批具有一定光学特性的多孔薄膜,采用差热-热重法分析硅溶胶制定了多孔氧化硅薄膜的干燥烧结工艺,场发射扫描电子显微镜表征了多孔薄膜的显微结构,分光光度计表征了多孔薄膜的透射特性,热-电法测试了典型多孔薄膜的吸收特性,纳米压痕仪测试了部分多孔薄膜的显微力学性能；采用1064nm,12ns, Nd:YAG激光器,1-on-1模式测试了多孔薄膜的损伤阈值,采用光学显微镜及场发生扫描电子显微镜表征了损伤斑形貌；建立两结果微滴模型和四结果微滴模型分析了薄膜发生损伤后的等离子体雾化及膨胀过程,然后结合雾化和膨胀机理模拟了等离子体爆炸过程中各种参数的演化。研究发现：通过调整氨水比例和DMF的含量,可以得到不同颗粒尺寸和堆积方式的薄膜,有良好的增透效果,其薄膜损伤阈值强烈依赖与薄膜内氧化硅颗粒尺寸的大小和堆积方式；玻璃基多孔氧化铝薄膜中的孔呈六方排列,通过改变实验参数可以得到不同结构的多孔薄膜,其损伤阈值很小,随着氧化电压的增大,硫酸电解液制备的多孔氧化铝膜抗激光损伤能力略有增强。三种电解液工艺下制备的氧化铝多孔膜损伤斑明显不同,草酸氧化铝多孔膜损伤斑点外缘有类似于“爆炸”时形成的“菊花”状散射波痕迹,由中心向外辐射；硫酸氧化铝多孔膜损伤斑点外缘没有散射波痕迹,而是分布有与斑点内大小相同的损伤坑；磷酸氧化铝多孔膜损伤斑点内的损伤坑尺寸不一致,同时有大块已损伤膜被剥离,损伤斑外缘同样没有散射波痕迹和轻微的损伤坑,损伤斑外延是在力的作用下发生的脆性断裂。多孔薄膜在长脉冲激光辐照作用下,薄膜内缺陷或者杂质首先吸收激光能量,形成高压高密度等离子体球体,等离子球体继续吸收激光能量获得雾化动力,在雾化过程中多结果微滴雾化机制越倾向于占主导优势；可以通过减小微滴喷溅初期的电子密度、电子温度、离子温度以及延缓微滴喷溅发生的时间,降低其雾化程度,控制微滴对激光能量的吸收和利用,降低材料激光损伤过程后期的等离子体微滴爆炸的剧烈程度；微滴膨胀过程中,随半径的增加外壳层膨胀速度在初始阶段迅速增加,随后趋于稳定。微滴膨胀过程中,电子密度不断下降,当电子密度为临界电子密度的3倍时,等离子体吸收出现共振吸收峰。综合考虑裂解雾化和膨胀的影响,等离子体爆炸开始时间越早,则后续演化越复杂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 激光损伤研究进展
• 1.2.1 激光损伤阈值测试
• 1.2.2 实验研究进展
• 1.2.3 理论研究进展
• 1.3 多孔薄膜激光损伤研究进展
• 1.4 多孔膜制备进展
• 1.4.1 化学法制备多孔薄膜
• 1.4.2 物理法制备多孔薄膜
• 1.4.3 模板法制备多孔薄膜
• 1.5 多孔薄膜力学性能研究进展
• 1.5.1 溶胶-凝胶法制备的多孔薄膜力学性能
• 1.5.2 多孔阳极氧化铝膜的力学性能
• 1.6 本课题研究内容及意义
• 1.6.1 课题研究内容
• 1.6.2 课题研究意义
• 第2章 多孔薄膜的制备及性能测试
• 2.1 溶胶-凝胶法制备多孔氧化硅薄膜
• 2.1.1 溶胶配比及镀膜
• 2.1.2 热处理
• 2.2 阳极氧化法制备玻璃基多孔氧化铝膜
• 2.2.1 电子束蒸发沉积铝膜
• 2.2.2 阳极氧化制备多孔氧化铝膜
• 2.3 形貌测试及分析
• 2.3.1 多孔氧化硅薄膜形貌
• 2.3.2 多孔氧化铝膜形貌
• 2.4 光学性能测试及分析
• 2.4.1 光学性能测试及计算
• 2.4.2 多孔氧化硅薄膜光学性能
• 2.4.3 玻璃基多孔氧化铝膜光学性能
• 2.5力学性能测试及分析
• 2.5.1 力学性能测试
• 2.5.2 多孔氧化硅薄膜力学性能
• 2.5.3 玻璃基多孔氧化铝膜力学性能
• 2.6 本章小结
• 第3章 致密及多孔薄膜激光损伤测试及结果分析
• 3.1 激光损伤测试设备及原理
• 3.2 电子束蒸发制备致密薄膜激光损伤结果及分析
• 3.2.1 电子束蒸发制备致密薄膜激光损伤阈值
• 3.2.2 电子束蒸发制备致密薄膜激光损伤形貌
• 3.3 多孔氧化硅薄膜激光损伤结果及分析
• 3.3.1 多孔氧化硅薄膜激光损伤阈值
• 3.3.2 多孔氧化硅薄膜激光损伤形貌
• 3.4 玻璃基多孔氧化铝膜激光损伤结果及分析
• 3.4.1 玻璃基多孔氧化铝膜激光损伤阈值
• 3.4.2 玻璃基多孔氧化铝膜激光损伤形貌
• 3.5 本章小结
• 第4章 长脉冲激光辐照下多孔薄膜损伤过程
• 4.1 长脉冲激光辐照下多孔薄膜能量吸收
• 4.1.1 激光对多孔薄膜的热效应
• 4.1.2 受内压球壳模型
• 4.2 长脉冲激光辐照等离子体微滴雾化
• 4.2.1 微滴雾化动力
• 4.2.2 微滴离化机理
• 4.2.3 两结果微滴雾化模型
• 4.2.4 四结果微滴雾化模型
• 4.2.5 计算结果及分析
• 4.3 长脉冲激光辐照等离子体微滴膨胀
• 4.3.1 理论基础
• 4.3.2 计算结果及分析
• 4.4 长脉冲激光辐照等离子体微滴爆炸过程
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论、创新与展望
• 5.1 主要工作及结论
• 5.2 研究创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录