光学减反膜是激光系统的重要组成部分, 也是在激光照射下最容易发生损伤的部分, 如何提高减反膜的激光损伤阈值是研究的热点之一。在保持目标透射光谱要求和膜系总光学厚度不变的前提下, 研究了不同梯度化减反膜与激光损伤阈值之间的关系。首先采用混合渐变膜系设计方法设计了一种渐变减反膜系, G/H1→H/L/A; 其次通过渐变折射率分层等效方法将渐变减反膜系进行不同的梯度化, 并利用PECVD技术, 在K9玻璃上沉积了满足光学性能指标要求的不同渐变减反膜系(多层梯度渐变膜系和相应的坡度渐变膜系); 最后进行了激光损伤阈值(LIDT)测量。研究结果表明: 在保持目标透射光谱要求和膜系总光学厚度不变的前提下, 渐变减反膜系相比于传统减反膜系, 抗激光损伤阈值有明显的提高; 随着梯度化层数的增加, 渐变减反膜系的激光损伤阈值呈减小的趋势; 对于相同膜层的渐变折射率薄膜, 采用坡度法制备的样片抗激光损伤阈值均优于采用梯度化制备的样片。

光学薄膜的激光损伤阈值是评价其激光耐受性能好坏的一个重要指标。对薄膜激光损伤阈值的准确评价和测定, 是判断其激光耐受性能和进行相互比对的基础。通过对激光损伤阈值测试系统误差的溯源分析和计算机模拟, 给出了优化测试系统的方向。研究结果表明: 在激光光斑确定的情况下, 激光能量越高, 能量密度的误差越大。因此在满足需要的情况下, 应该尽可能选取较低的激光能量。在激光能量确定的情况下, 存在一个临界光斑, 当小于临界光斑时, 能量密度误差变化非常剧烈, 光斑越小, 能量密度误差越大。测试系统的激光光斑大于临界光斑时系统的误差较小, 小于临界光斑时系统的误差急剧变大。因此, 在激光损伤阈值测试系统中, 应该优选临界光斑或者大于临界光斑。激光损伤阈值拟合产生的最大误差为最大能级的激光能量误差, 因此要尽可能降低激光器的脉冲能量。由此可见, 设计合理的系统参数, 可以最大程度降低测量结果的不确定度。

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备氮化硅(SiNx)和含氟氧化硅(SiOxFy)薄膜,探讨了薄膜材料的最佳制备工艺参数,明确了薄膜光学特性与气体流量、射频功率、反应压强等制备工艺参数的关系; 设计并制备了1 064 nm高反射膜, 并与PVD法制备的Ta2O5/SiO2高反膜进行对比, 结果表明, 其反射率在99.0%左右时, PECVD法制备的高反膜具有较高的抗激光损伤阈值, 约为PVD法的2倍。

针对355 nm激光作用于熔石英光学元件后其损伤阈值容易变差的问题, 提出使用1.7%纯HF溶液和0.4%HF与1.2%NH4F混合的BOE溶液对样品进行处理来提高它们的激光诱导损伤阈值(LIDT)。在相同的条件下将熔石英光学元件浸没到上述两种不同的刻蚀溶液中进行处理, 通过测量刻蚀过程中元件重量变化来计算刻蚀速率, 利用Zygo轮廓仪测试元件表面粗糙度, 然后对355 nm激光照射下熔石英元件的损伤阈值情况进行研究。损伤测试表明, LIDT与元件的材料去除深度有关系, 用两种刻蚀液刻蚀去除一定深度后, LIDT均有增加, 但是进一步去除会显著地降低元件的LIDT。在处理过程中, 这两种刻蚀液的去除速率都很稳定, 分别为85.9 nm/min和58.6 nm/min左右。另外, 元件表面的粗糙度会随着刻蚀时间的增加而变大。在刻蚀过程中还通过纳米技术测量了熔石英元件表面的硬度及杨氏系数, 不过没有证据表明其与激光诱导损伤有明确的关系。

为进一步提升熔石英元件的激光损伤阈值, 研究了氢氟酸(HF)动态酸刻蚀条件下磁流变抛光工艺对熔石英元件激光损伤特性的影响规律。首先, 采用不同工艺制备熔石英元件, 测量它们的表面粗糙度。然后, 采用飞行时间-二次离子质谱法(OF-SIMS )检测磁流变加工前后熔石英元件中金属杂质元素的含量和深度; 采用1-on-1方法测试激光损伤阈值, 观测损伤形貌, 并对损伤坑的形态进行统计。最后, 分析了磁流变抛光工艺提升熔石英损伤阈值的原因。与未经磁流变处理的熔石英元件进行了对比, 结果显示: 磁流变抛光使熔石英元件的零概率激光损伤阈值提升了23.3%, 金属杂质元素含量也显著降低, 尤其是对熔石英激光损伤特性有重要影响的Ce元素被完全消除。得到的结果表明, 磁流变抛光工艺能够被用作HF酸动态酸刻蚀的前道处理工艺。

基于ISO11254国际标准,构建了基于半导体激光光散射检测光学薄膜损伤与否的光学薄膜激光损伤阈值测试系统。运用图像处理以及灰度值作为判断薄膜损伤与否的判据,对TiO2/SiO2增透膜进行了阈值测试。由图像处理可得,当光斑图像有效区域内灰度值最大的前50个像素点的平均灰度值在25到33之间时,该区域为薄膜损伤的临界区域,并将测量结果与在Veeco白光轮廓仪观测到的损伤形貌进行对比,具有较好的一致性。

采用离子束溅射的方式，在K9玻璃基片表面引入金纳米杂质缺陷，通过原子力显微镜(AFM)测得金纳米尺寸直径在50~100 nm之间。采用不同能量密度的激光对样品进行点阵式的单脉冲辐照(1-on-1)并且对损伤阈值及典型损伤形貌进行了实验及理论分析。损伤阈值采用零几率处的损伤密度。结果表明：引入金纳米杂质缺陷后其抗激光损伤阈值由裸基片的26.6 J/cm²下降为15.5 J/cm2。通过微分干涉显微镜，随着激光能量的增加，损伤呈爆炸坑形貌，主要呈现纵向加剧损伤。金纳米杂质缺陷在K9玻璃基片上形成了强吸收中心(引入金纳米杂质K9玻璃基片的弱吸收(47.33 ppm，1 ppm=10^-6)是裸K9玻璃基片(3.57 ppm)的13倍)造成局部高温，这是造成损伤的诱因。通过计算，金纳米杂质对K9玻璃基片的作用包括两部分：当激光辐照在K9玻璃基片上，首先是热应力引起玻璃的破裂；随后杂质汽化产生的蒸汽压加剧材料的破坏，引起局部炸裂。