光學(xué)薄膜激光損傷機(jī)理的研究背景與意義

　　光學(xué)薄膜幾乎是所有光學(xué)系統(tǒng)中不可缺少的基本元件，并且也是激光系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。長(zhǎng)期以來(lái)，激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞一直是限制激光向高功率、高能量方向發(fā)展的“瓶頸”，也是影響高功率激光薄膜元件使用壽命的主因。另一方面，光學(xué)薄膜也是導(dǎo)彈、遙感衛(wèi)星等航天飛行器中導(dǎo)引、定位、遙感甚至能源系統(tǒng)中的重要組成元件，應(yīng)用強(qiáng)激光武器對(duì)光學(xué)薄膜元件的破壞可以造成航天飛行器的致眩、致盲、失控，甚至于系統(tǒng)的整體失效。光學(xué)薄膜中即使出現(xiàn)十分微小的瑕疵，也會(huì)導(dǎo)致輸出光束質(zhì)量的下降，嚴(yán)重時(shí)將引起整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，光學(xué)薄膜的抗損傷特性將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案以及今后系統(tǒng)運(yùn)行的性能。所以，研究光學(xué)薄膜的抗激光破壞問(wèn)題具有非常重要的意義。

　　然而，激光對(duì)光學(xué)薄膜的損傷是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它由作用激光（重復(fù)頻率、波長(zhǎng)、脈寬、偏振態(tài)、模式、光斑、輻照方式等）和光學(xué)薄膜的性質(zhì)（薄膜光學(xué)特性、膜料、制備工藝、薄膜結(jié)構(gòu)、缺陷密度等）兩方面決定。不同的激光參數(shù)條件對(duì)同一薄膜會(huì)產(chǎn)生不同的損傷結(jié)果。不僅如此，由于薄膜激光損傷是薄膜與強(qiáng)相干輻射相互作用的結(jié)果，在強(qiáng)相干輻射作用下，薄膜元件具有許多新的行為，而這些行為通常難以用經(jīng)典薄膜光學(xué)理論進(jìn)行解釋。因此，研究薄膜激光損傷，分析薄膜與強(qiáng)激光相互作用的過(guò)程及其結(jié)果，將會(huì)促進(jìn)強(qiáng)激光材料科學(xué)，強(qiáng)激光薄膜光學(xué)等新學(xué)科的形成與完善，因此具有重要的學(xué)術(shù)意義。

　1、光學(xué)薄膜激光損傷機(jī)理研究進(jìn)展

　　當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到足夠高的量級(jí)時(shí)，材料將發(fā)生一系列不可逆的災(zāi)難性的變化，通常將這種現(xiàn)象稱為損傷。在過(guò)去的30年間，對(duì)激光誘導(dǎo)光學(xué)材料和膜層損傷的理論、物理機(jī)制、損傷的檢測(cè)以及提高材料抗損傷的方法研究已經(jīng)成為高功率激光研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，SPIE激光損傷專題國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議年年召開，與會(huì)者眾多，足以說(shuō)明激光誘導(dǎo)損傷問(wèn)題的復(fù)雜性。激光對(duì)光學(xué)薄膜的損傷過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)于不同的薄膜材料、制備方法、激光參數(shù)和作用模式［，破壞過(guò)程和損傷機(jī)理都有很大差異性，這里包含了激光作用的光學(xué)力學(xué)過(guò)程、場(chǎng)擊穿過(guò)程等，但最基本的還是熱過(guò)程，光通過(guò)本征吸收、雜質(zhì)吸收和非線性吸收轉(zhuǎn)化為熱，由熱熔融或熱力耦合導(dǎo)致薄膜的最終損傷。在大量的實(shí)驗(yàn)研究與理論分析的基礎(chǔ)上，人們提出了雪崩離化、多光子吸收、雜質(zhì)吸收、節(jié)瘤缺陷以及熱爆炸模型破壞，等破壞機(jī)制，當(dāng)然這些機(jī)制并不是普適的，在激光與薄膜相互作用過(guò)程中可能包括了多個(gè)過(guò)程或多種機(jī)制的耦合，由于破壞過(guò)程時(shí)間短，作用區(qū)域小，大多數(shù)分析都只能是針對(duì)破壞后的特性進(jìn)行的，這給確切了解破壞過(guò)程帶來(lái)很大難度。

　　綜合來(lái)說(shuō)，多種機(jī)制的產(chǎn)生一方面說(shuō)明激光與薄膜相互作用過(guò)程的復(fù)雜性，而另一方面也說(shuō)明了人們對(duì)光學(xué)薄膜的激光損傷機(jī)制的認(rèn)識(shí)是在不斷地發(fā)展的。雖然各種機(jī)制都有其局限性，都是試圖從某一個(gè)角度出發(fā)對(duì)激光與薄膜作用過(guò)程進(jìn)行闡釋，但在實(shí)際工作中，各種機(jī)制都為我們進(jìn)一步提高薄膜的抗激光損傷性能指明了方向。理論界的工作者已傾向于綜合考慮以多種機(jī)理的融合、貫通以求建立更完整的理論模型。幾十年來(lái)，高功率激光薄膜及其激光破壞問(wèn)題得到了長(zhǎng)足的改進(jìn)和發(fā)展。