光學薄膜激光損傷機理的研究背景與意義

　　光學薄膜幾乎是所有光學系統中不可缺少的基本元件，并且也是激光系統中最薄弱的環節之一。長期以來，激光對光學薄膜的破壞一直是限制激光向高功率、高能量方向發展的“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，光學薄膜也是導彈、遙感衛星等航天飛行器中導引、定位、遙感甚至能源系統中的重要組成元件，應用強激光武器對光學薄膜元件的破壞可以造成航天飛行器的致眩、致盲、失控，甚至于系統的整體失效。光學薄膜中即使出現十分微小的瑕疵，也會導致輸出光束質量的下降，嚴重時將引起整個系統的癱瘓，光學薄膜的抗損傷特性將直接影響到整個系統的設計方案以及今后系統運行的性能。所以，研究光學薄膜的抗激光破壞問題具有非常重要的意義。

　　然而，激光對光學薄膜的損傷是一個復雜的過程，它由作用激光（重復頻率、波長、脈寬、偏振態、模式、光斑、輻照方式等）和光學薄膜的性質（薄膜光學特性、膜料、制備工藝、薄膜結構、缺陷密度等）兩方面決定。不同的激光參數條件對同一薄膜會產生不同的損傷結果。不僅如此，由于薄膜激光損傷是薄膜與強相干輻射相互作用的結果，在強相干輻射作用下，薄膜元件具有許多新的行為，而這些行為通常難以用經典薄膜光學理論進行解釋。因此，研究薄膜激光損傷，分析薄膜與強激光相互作用的過程及其結果，將會促進強激光材料科學，強激光薄膜光學等新學科的形成與完善，因此具有重要的學術意義。

　1、光學薄膜激光損傷機理研究進展

　　當激光強度達到足夠高的量級時，材料將發生一系列不可逆的災難性的變化，通常將這種現象稱為損傷。在過去的30年間，對激光誘導光學材料和膜層損傷的理論、物理機制、損傷的檢測以及提高材料抗損傷的方法研究已經成為高功率激光研究的一個重要領域，SPIE激光損傷專題國際學術會議年年召開，與會者眾多，足以說明激光誘導損傷問題的復雜性。激光對光學薄膜的損傷過程是一個復雜的過程，對于不同的薄膜材料、制備方法、激光參數和作用模式［，破壞過程和損傷機理都有很大差異性，這里包含了激光作用的光學力學過程、場擊穿過程等，但最基本的還是熱過程，光通過本征吸收、雜質吸收和非線性吸收轉化為熱，由熱熔融或熱力耦合導致薄膜的最終損傷。在大量的實驗研究與理論分析的基礎上，人們提出了雪崩離化、多光子吸收、雜質吸收、節瘤缺陷以及熱爆炸模型破壞，等破壞機制，當然這些機制并不是普適的，在激光與薄膜相互作用過程中可能包括了多個過程或多種機制的耦合，由于破壞過程時間短，作用區域小，大多數分析都只能是針對破壞后的特性進行的，這給確切了解破壞過程帶來很大難度。

　　綜合來說，多種機制的產生一方面說明激光與薄膜相互作用過程的復雜性，而另一方面也說明了人們對光學薄膜的激光損傷機制的認識是在不斷地發展的。雖然各種機制都有其局限性，都是試圖從某一個角度出發對激光與薄膜作用過程進行闡釋，但在實際工作中，各種機制都為我們進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理的融合、貫通以求建立更完整的理論模型。幾十年來，高功率激光薄膜及其激光破壞問題得到了長足的改進和發展。