光學薄膜熱致?lián)p傷常見的模型

　　光學薄膜在激光作用下發(fā)生損傷破壞時，由于不同的光學薄膜材料的特性參數(shù)不同，導致對激光能量的吸收規(guī)律也不同。

　　激光光子把能量轉移給薄膜材料，薄膜材料內部晶格的熱積累使材料溫度增加。

　　一般的金屬薄膜，由于有較大的消光系數(shù)，在激光作用時，吸收激光能量較劇烈，且不同波長的激光作用，吸收效應也不盡相同。而常見的介質薄膜消光系數(shù)都很小，激光作用時膜層對激光能量的吸收也比較小，此時薄膜對激光能量的吸收可通過求解熱傳導方程求得。

　　基于此，具有較高LIDT的薄膜一般都采用吸收較小的介質薄膜，就是為了防止由于膜層材料強烈吸收激光能量，導致膜層破壞。

　　長脈寬激光及連續(xù)激光作用于薄膜時，雜質和缺陷對熱量的吸收積累是造成薄膜損傷破壞的主要原因，此時損傷主要以熱損傷為主。下面是幾個討論熱致?lián)p傷常見的模型。

　　Lange模型

　　材料對激光能量的吸收與材料的消光系數(shù)κ和折射率n有關，很多實驗表明，κ和n越小，材料對激光能量的吸收就越小，損傷出現(xiàn)的可能性就越小，其損傷閾值就越大。激光作用下薄膜內的溫度升高以致最后的薄膜損傷是由于薄膜內部的雜質吸收所引起的，基于此假設，Lange總結并給出了閾值能量密度E和材料融化時溫度Tm的經(jīng)驗閾值公式： 式中c為比熱容，k為熱導率，τ為激光脈寬。從公式可以看出，閾值能量密度與激光脈寬成正比，激光脈寬越小，閾值能量密度越低，大量的實驗結果已經(jīng)證實了由于薄膜-基底界面隨機分布的微小缺陷及表面內部的雜質而導致薄膜的損傷破壞。

　　Gao H L模型

　　Gao先假定薄膜-基底界面質量為理想情況，即無表面缺陷和雜質，以瞬態(tài)耦合熱彈性理論出發(fā)求解計算由于薄膜內溫度變化而產(chǎn)生溫度梯度所引起的熱彈性應力。 逐漸增大的熱應力超過薄膜材料的抗拉伸強度或抗壓縮強度時，薄膜就會因拉伸產(chǎn)生裂縫、破裂或因壓縮產(chǎn)生褶皺、與基底脫離等而產(chǎn)生破壞；隨后由于破裂或褶皺后的薄膜吸收率突然變大，能量吸收更加劇烈，從而導致薄膜迅速熔化、噴發(fā)，最終形成薄膜損傷。

　　他在計算過程中考慮了兩個假設：首先薄膜厚度遠小于基底厚度，此時可認為基底為半無限體，不用考慮基底的吸收影響；其次激光束相對于薄膜而言為有限尺寸，可認為薄膜尺寸為無限大。 Babb M T模型

　　上面的理論實際上只是考慮到基膜界面為理想情況的問題，大量的實驗已經(jīng)證明：當薄膜系統(tǒng)表面有大量雜質或微缺陷時，一旦受到強激光作用，雜質和缺陷吸熱后體積會產(chǎn)生膨脹。若薄膜生長較致密，界面沒有足夠的空間容納其擴展體積，此時產(chǎn)生的應力會直接導致薄膜的破裂。

　　Blembergen，Hopper 及Vhlmann 很早就指出鍍膜過程中，金屬雜質的問題無法避免且不可忽視。

　　但國內外學者都是在假設基膜界面為理想情況下建立的薄膜損傷數(shù)學模型，并沒有充分考慮實際的基膜界面有缺陷和雜質的情況，其中一個比較有用的公式如下： 式中ρ為薄膜材料密度。該式體現(xiàn)了薄膜的激光損傷過程中雜質的作用。因此人們采用先進的拋光工藝、鍍膜前烘烤基底、對薄膜進行激光輻照預處理等多種辦法來優(yōu)化薄膜基底界面質量以求最小的雜質缺陷吸收效應，從而提高薄膜的LIDT。

　　Shawklein模型

　　隨著鍍膜工藝的不斷發(fā)展，薄膜基底界面雜質和微缺陷可由后處理技術控制得比較好，但是實驗中人們也觀測到一些薄膜表現(xiàn)出反常的特性，這些特性已經(jīng)不能用上面的公式所呈現(xiàn)的規(guī)律加以解釋。 例如，人們發(fā)現(xiàn)溶膠-凝膠法制備成的膜，它雖然有著54%的孔隙率，薄膜卻表現(xiàn)出異常高的抗激光損傷能力，最初人們無法合理解釋該現(xiàn)象；同樣，雖然蒸發(fā)式薄膜的表面質量較差、粗糙度很大，但它有較高的LIDT。 后來人們發(fā)現(xiàn)兩者薄膜的基膜界面處原子排列稀疏，填隙原子間距大。當激光作用時膜內雜質吸熱、體積膨脹并加速運動時，由于此處周圍有足夠的空間容納其受熱后的體積，而且吸收的能量可以通過運動在短時間內散失掉，減小了產(chǎn)生應力的可能性，從而提高了薄膜的抗激光損傷能力。

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　　審核編輯：黃飛