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ZrO_2化学膜与物理膜损伤机理的对比研究

作　者: 李朝霞
导　师: 张晓霞；陈强
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 光学薄膜溶胶-凝胶激光损伤阈值孔隙率
分类号: O484.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着激光技术的发展,各种新型激光器(如超强、超快激光)不断涌现出来,对光学薄膜元件提出了更高要求。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,激光对光学薄膜的破坏一直是限制激光向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”之一。而近年来溶胶-凝胶工艺制备的ZrO2化学膜以其优异的光学和抗激光损伤的性能引起了广大科研工作者的关注。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,具有重要的科学意义和工程应用前景。本文分别采用溶胶-凝胶技术和电子束热蒸发技术在K9基片上镀制了五组不同光学厚度的ZrO2化学膜和物理膜。测试了不同厚度的化学膜和物理膜的激光损伤阈值;分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜和相衬显微镜研究了两类薄膜的损伤阈值、热吸收、孔隙率、微观表面形貌、杂质和缺陷状况。得到如下研究结果:(1)ZrO2化学膜的强激光损伤阈值明显高于相应的物理膜;但随着ZrO2薄膜厚度的增加,物理膜和化学膜的损伤阈值都有所下降。(2)ZrO2物理膜比化学膜有更大的热吸收系数;热吸收系数随膜层厚度的增加相应的增大。(3)ZrO2化学膜比物理膜的折射率更低;由折射率和孔隙率的关系推算出了相应的孔隙率的大小,结果表明,两种膜的孔隙率都随膜层厚度的增加略有下降,且物理膜的孔隙率远小于化学膜的孔隙率。(4)分析了微观结构特点和膜层损伤阈值的关系:物理膜含有较多的杂质和缺陷使得其热吸收系数较高,所以具有较低的损伤阈值;而化学膜的制备过程简单易于控制,膜层结构更加均匀,热吸收系数较低,且具有疏松多孔的微观结构,使得其吸收激光能量较少且易于通过多孔结构散失掉,从而大大提高了化学膜层的损伤阈值。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-15
  1.1 课题的意义  11
  1.2 国内外的研究现状  11-13
  1.3 本论文研究的内容  13-15
第二章制作和表征ZrO_2光学薄膜  15-25
  2.1 溶胶-凝胶法的优点  15
  2.2 溶胶-凝胶法制备膜层的应用  15-17
    2.2.1 着色膜的制备  15
    2.2.2 波导膜的制备  15-16
    2.2.3 分离膜的制备  16
    2.2.4 多层高反膜的制备  16-17
    2.2.5 减反射膜的制备  17
  2.3 影响胶体性能的因素  17-18
    2.3.1 溶胶浓度  17-18
    2.3.2 催化剂  18
    2.3.3 加水量  18
    2.3.4 反应温度  18
  2.4 ZrO_2化学膜的涂膜方法  18-20
  2.5 薄膜表征常用的实验仪器  20-24
    2.5.1 相衬显微镜  20-21
    2.5.2 原子力显微镜  21-22
    2.5.3 椭偏仪  22-24
  2.6 小结  24-25
第三章光学薄膜在强激光辐照下的损伤  25-34
  3.1 薄膜损伤的微观机制  25-27
    3.1.1 多光子电离  25-26
    3.1.2 杂质缺陷诱导  26
    3.1.3 电子雪崩电离  26
    3.1.4 复合损伤  26-27
  3.2 对薄膜激光损伤阈值造成影响的几个方面  27-30
    3.2.1 薄膜膜厚的影响  27-28
    3.2.2 光斑效应的影响  28
    3.2.3 缺陷和杂质的影响  28-29
    3.2.4 脉宽效应影响  29-30
    3.2.5 波长效应影响  30
    3.2.6 累积效应影响  30
  3.3 判定薄膜损伤的方法  30-31
    3.3.1 散射光检测法  30-31
    3.3.2 相衬显微法  31
    3.3.3 等离子体闪光法  31
  3.4 测试激光损伤阈值的方法  31-33
    3.4.1 零几率损伤阈值  31-32
    3.4.2 50%几率损伤阈值  32
    3.4.3 R-on-1 损伤阈值  32-33
  3.5 小结  33-34
第四章 ZrO_2化学膜与物理膜损伤机理的对比研究  34-54
  4.1 制备ZrO_2化学膜和物理膜  34-35
  4.2 薄膜的测试  35-48
    4.2.1 ZrO_2化学膜和物理膜的损伤阈值的测量  35-42
      4.2.1.1 不同厚度ZrO_2化学膜的损伤阈值的测量  36-38
      4.2.1.2 不同厚度ZrO_2物理膜的损伤阈值的测量  38-42
    4.2.2 ZrO_2化学膜和物理膜的热吸收系数的测试  42-46
    4.2.3 ZrO_2化学膜和物理膜的孔隙率的测试  46-48
      4.2.3.1 ZrO_2化学膜和物理膜的折射率的测量  46-47
      4.2.3.2 ZrO_2化学膜和物理膜的孔隙率的计算  47-48
  4.3 实验结果及分析  48-49
  4.4 测试ZrO_2化学膜和物理膜的表面形貌  49-52
    4.4.1 ZrO_2化学膜和物理膜的原子力显微镜的观测形貌  49-50
    4.4.2 激光辐照前ZrO_2化学膜和物理膜膜层的显微观测形貌  50-51
    4.4.3 激光辐照后ZrO_2化学膜和物理膜膜层典型的损伤形貌  51-52
  4.5 小结  52-54
第五章总结  54-56
致谢  56-57
参考文献  57-61
攻硕期间取得的研究成果  61-62

ZrO_2化学膜与物理膜损伤机理的对比研究

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