隨著近年來慣性約束聚變(Inertially Confined Fusion, ICF)實驗的開展,提高激光系統(tǒng)光學元件的抗激光損傷能力,從而使激光系統(tǒng)達到更高的功率密度是目前實現可控核聚變急需解決的主要問題之一。出于實現激光系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地輸出高功率激光的需要,研究光學薄膜的激光破壞機制以及如何提高激光損傷閾值已經顯得尤為重要。采用混合膜法制備的梯度折射率薄膜由于其物理特性沿著膜厚逐漸變化的特點,平滑了膜層間材料的躍變,在提高薄膜附著力、減少殘余應力等方面有著理想的應用前景,近年來在高功率激光薄膜的前沿研究中也展示出了巨大的應用潛能。 本文的主要內容是利用離子束濺射雙元拼接靶的路線探索了制備梯度折射率薄膜的方法,并對其激光損傷特性進行了較為細致的研究。針對國外高功率激光薄膜的研究前沿,我們在Rugate薄膜的初始設計上優(yōu)化中心波長處反射率得到了梯度折射率高反膜；確定了采用雙元拼接靶離子束濺射得到的SiO2/Ta2O5混合材料折射率校正曲線,并在此基礎上利用寬帶光譜厚度監(jiān)控制備了梯度折射率高反薄膜樣品。對梯度折射率高反薄膜和傳統(tǒng)λ/4規(guī)整高反膜的損傷幾率曲線和損傷形貌進行了對比。結果顯示：梯度折射率高反膜的零幾率損傷閾值達到了傳統(tǒng)λ/4規(guī)整高反膜現有的能量密度負載能力,其損傷類型主要是節(jié)瘤缺陷噴濺導致的燒蝕斑,并且抑制了層狀剝落的熱應力型損傷,在多脈沖的作用下其損傷發(fā)展也較為穩(wěn)定,顯示出在高功率激光系統(tǒng)中的應用潛力。對混合SiO2/Ta2O5單層膜的研究表明：隨著混合材料中SiO2含量的增加,損傷的附帶影響區(qū)域減小,混合膜層材料的損傷特性得到了一定程度上的改善,是梯度折射率薄膜損傷改善的原因之一。并指出了梯度式設計對熱物性參數的平滑作用是抑制膜層脫落的重要因素。 本文的研究表明：利用雙元拼接靶離子束濺射的方法,通過兩種材料的均勻混合,可以根據折射率校正曲線獲得特定折射率材料,從而在寬帶光譜厚度監(jiān)控下制備梯度折射率薄膜。梯度折射率的設計方式抑制了層狀剝落這種災難性損傷的出現,在一定程度上改善了元件的損傷特性。本課題的研究為提高激光薄膜損傷性能提供了新的思路,對于提高激光系統(tǒng)的輸出功率和穩(wěn)定性具有重要的意義。
【學位單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2014
【中圖分類】：TL632
【部分圖文】：

Livermore National Laboratory, LLNL)近期使用全世界最先進的激光核聚變裝置 國家點火設施（National Ignition Facility，NIF)在全世界范圍內首次實現了聚變釋放出的能量大于輸入到燃料祀丸內的能量，給實現受控核聚變帶來了希望⑴。目前實現可控核聚變有兩種途徑：一是基于主流大型托卡馬克裝置（Tokamak)的磁約束核聚變研究路線，另一種技術路線則是包括以激光驅動為主要研究方向的慣性約束核聚變。美國NIF采用的即是后一種激光慣性約束核聚變的技術路線，采用同樣技術路線的還有法國的兆焦耳激光裝置（Laser IV^gaJoule，LMJ)等。激光驅動慣性約束核聚變的基本原理是：使用高功率的脈沖激光聚焦到含有氖氣燃料的微型祀丸上，使燃料以極高的速度對稱均勻地壓縮至相當高的密度并且達到熱核燃燒所需要的高溫，核聚變反應需要在一定的慣性約束時間內完成，達到釋放出大量的聚變能量的目的[2]。Nff用于“點火”的高功率激光系統(tǒng)是目前世界范圍內能夠提供最高功率和最大能量輸出的激光系統(tǒng)。在激光約束核聚變研究中，對于應用于這樣高功率激光系統(tǒng)中的光學元件（如光學玻璃、光學晶體、光學薄膜等），必須要求在長時間范圍內能夠穩(wěn)定地工作，且系統(tǒng)的性能不能產生明顯的降低。

處的吸收損耗也越大，也越容易產生損傷。對于高反膜來說，駐波場能量大部分集中在膜層表面的幾個膜對（如圖1.2 (a)所示），高反膜的能量沉積集中在表面幾層。因此，對于高反膜抗激光損傷性能提高的問題，表面層的設計尤為重要。對于傳統(tǒng)用高低兩種折射率材料交替堆疊組成的四分之一波長的高反射膜，電場峰值通常出現在兩種膜料的強吸收界面處。1989年Ristan提出通過改變前2個膜對中高低折射率膜層的厚度，使得電場峰值偏離強界面處[5】。盡管低折射率材料層中電場強度有所增加，但低折射率材料的吸收系數較低，因此膜層仍可取得較高的損傷閾值。B?dluk: Angla: 0.0 B*dlu?: JLIK isgl*: 0.0SubnrM*: CLASS V*v*l?n9t.h; ￡SO.O (?) Subtcma: CLASS V?v?lttn0th: SSO.O <M>Islt: CLJLS8 PolaxixKioB： S P — I?i?: CLASS PolulsMicxa; S P t. 0 r f r r Z.Ot 1 y r "i—r "i r 1 l.S l.S 1.0 1.0 - +-\- ：細細...I.....n.....11.....rl1:1 棚刪-11.....1114 12 10 8 ? 4 2 8 14 12 10 6 ? 4 X SIS 13 11 9 7 ? 9 1 IS 13 11 9 7 5 3 IBorulis?d tl?e?rlc fiald latwtCT (SquArad) HenMlts?d IXaetrle ri?ld Ineensley (SquArad)(a)駐波場優(yōu)化前高反模內電場分布 （b)駐波場優(yōu)化后高反族內電場分布圖1.2高反膜駐波場優(yōu)化示意圖1982年，Mansuripur等人在駐波場的基礎上

梯度折射率高反膜的制備及其激光損傷特性研究度場模型度場理論的基本思路是：從薄膜特征矩陣出發(fā)推導出多層膜中電場吸收，各層膜都成為熱源，并根據熱傳導方程計算含熱源的膜層內溫溫度場基礎上根據熱一力稱合方程，由溫度場計算膜層中的熱應力。特定光學性能的光學薄膜，不含缺陷的理想多層膜是由按照一定規(guī)律具有平行界面的各種材料所組成的層狀復合結構。理想多層膜的結構
【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 趙強,范正修;光學薄膜界面吸收對溫度場的影響[J];光學學報;1996年06期

2 趙強,范正修,王之江;激光對光學薄膜加熱過程的數值分析[J];光學學報;1999年08期

3 林尊琪;;激光核聚變的發(fā)展(邀請論文)[J];中國激光;2010年09期

4 龔輝，李成富，王明利;激光對光學薄膜損傷的熱沖擊效應[J];中國激光;1996年03期

5 郭少鋒,陸啟生,程湘愛,江厚滿,曾學文;光學材料的激光損傷形態(tài)研究[J];強激光與粒子束;2002年02期

本文編號：2865773