光学薄膜热致损伤常见的模型

　　光学薄膜在激光作用下发生损伤破坏时，由于不同的光学薄膜材料的特性参数不同，导致对激光能量的吸收规律也不同。

　　激光光子把能量转移给薄膜材料，薄膜材料内部晶格的热积累使材料温度增加。

　　一般的金属薄膜，由于有较大的消光系数，在激光作用时，吸收激光能量较剧烈，且不同波长的激光作用，吸收效应也不尽相同。而常见的介质薄膜消光系数都很小，激光作用时膜层对激光能量的吸收也比较小，此时薄膜对激光能量的吸收可通过求解热传导方程求得。

　　基于此，具有较高LIDT的薄膜一般都采用吸收较小的介质薄膜，就是为了防止由于膜层材料强烈吸收激光能量，导致膜层破坏。

　　长脉宽激光及连续激光作用于薄膜时，杂质和缺陷对热量的吸收积累是造成薄膜损伤破坏的主要原因，此时损伤主要以热损伤为主。下面是几个讨论热致损伤常见的模型。

　　Lange模型

　　材料对激光能量的吸收与材料的消光系数κ和折射率n有关，很多实验表明，κ和n越小，材料对激光能量的吸收就越小，损伤出现的可能性就越小，其损伤阈值就越大。激光作用下薄膜内的温度升高以致最后的薄膜损伤是由于薄膜内部的杂质吸收所引起的，基于此假设，Lange总结并给出了阈值能量密度E和材料融化时温度Tm的经验阈值公式： 式中c为比热容，k为热导率，τ为激光脉宽。从公式可以看出，阈值能量密度与激光脉宽成正比，激光脉宽越小，阈值能量密度越低，大量的实验结果已经证实了由于薄膜-基底界面随机分布的微小缺陷及表面内部的杂质而导致薄膜的损伤破坏。

　　Gao H L模型

　　Gao先假定薄膜-基底界面质量为理想情况，即无表面缺陷和杂质，以瞬态耦合热弹性理论出发求解计算由于薄膜内温度变化而产生温度梯度所引起的热弹性应力。 逐渐增大的热应力超过薄膜材料的抗拉伸强度或抗压缩强度时，薄膜就会因拉伸产生裂缝、破裂或因压缩产生褶皱、与基底脱离等而产生破坏；随后由于破裂或褶皱后的薄膜吸收率突然变大，能量吸收更加剧烈，从而导致薄膜迅速熔化、喷发，最终形成薄膜损伤。

　　他在计算过程中考虑了两个假设：首先薄膜厚度远小于基底厚度，此时可认为基底为半无限体，不用考虑基底的吸收影响；其次激光束相对于薄膜而言为有限尺寸，可认为薄膜尺寸为无限大。 Babb M T模型

　　上面的理论实际上只是考虑到基膜界面为理想情况的问题，大量的实验已经证明：当薄膜系统表面有大量杂质或微缺陷时，一旦受到强激光作用，杂质和缺陷吸热后体积会产生膨胀。若薄膜生长较致密，界面没有足够的空间容纳其扩展体积，此时产生的应力会直接导致薄膜的破裂。

　　Blembergen，Hopper 及Vhlmann 很早就指出镀膜过程中，金属杂质的问题无法避免且不可忽视。

　　但国内外学者都是在假设基膜界面为理想情况下建立的薄膜损伤数学模型，并没有充分考虑实际的基膜界面有缺陷和杂质的情况，其中一个比较有用的公式如下： 式中ρ为薄膜材料密度。该式体现了薄膜的激光损伤过程中杂质的作用。因此人们采用先进的抛光工艺、镀膜前烘烤基底、对薄膜进行激光辐照预处理等多种办法来优化薄膜基底界面质量以求最小的杂质缺陷吸收效应，从而提高薄膜的LIDT。

　　Shawklein模型

　　随着镀膜工艺的不断发展，薄膜基底界面杂质和微缺陷可由后处理技术控制得比较好，但是实验中人们也观测到一些薄膜表现出反常的特性，这些特性已经不能用上面的公式所呈现的规律加以解释。 例如，人们发现溶胶-凝胶法制备成的膜，它虽然有着54%的孔隙率，薄膜却表现出异常高的抗激光损伤能力，最初人们无法合理解释该现象；同样，虽然蒸发式薄膜的表面质量较差、粗糙度很大，但它有较高的LIDT。 后来人们发现两者薄膜的基膜界面处原子排列稀疏，填隙原子间距大。当激光作用时膜内杂质吸热、体积膨胀并加速运动时，由于此处周围有足够的空间容纳其受热后的体积，而且吸收的能量可以通过运动在短时间内散失掉，减小了产生应力的可能性，从而提高了薄膜的抗激光损伤能力。

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　　审核编辑：黄飞