光學(xué)薄膜熱致?lián)p傷常見(jiàn)的模型

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

　　激光光子把能量轉(zhuǎn)移給薄膜材料，薄膜材料內(nèi)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(shí)，吸收激光能量較劇烈，且不同波長(zhǎng)的激光作用，吸收效應(yīng)也不盡相同。而常見(jiàn)的介質(zhì)薄膜消光系數(shù)都很小，激光作用時(shí)膜層對(duì)激光能量的吸收也比較小，此時(shí)薄膜對(duì)激光能量的吸收可通過(guò)求解熱傳導(dǎo)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(zhì)薄膜，就是為了防止由于膜層材料強(qiáng)烈吸收激光能量，導(dǎo)致膜層破壞。

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

　　Lange模型

　　材料對(duì)激光能量的吸收與材料的消光系數(shù)κ和折射率n有關(guān)，很多實(shí)驗(yàn)表明，κ和n越小，材料對(duì)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(nèi)的溫度升高以致最后的薄膜損傷是由于薄膜內(nèi)部的雜質(zhì)吸收所引起的，基于此假設(shè)，Lange總結(jié)并給出了閾值能量密度E和材料融化時(shí)溫度Tm的經(jīng)驗(yàn)閾值公式： 式中c為比熱容，k為熱導(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)了由于薄膜-基底界面隨機(jī)分布的微小缺陷及表面內(nèi)部的雜質(zhì)而導(dǎo)致薄膜的損傷破壞。

　　Gao H L模型

　　Gao先假定薄膜-基底界面質(zhì)量為理想情況，即無(wú)表面缺陷和雜質(zhì)，以瞬態(tài)耦合熱彈性理論出發(fā)求解計(jì)算由于薄膜內(nèi)溫度變化而產(chǎn)生溫度梯度所引起的熱彈性應(yīng)力。 逐漸增大的熱應(yīng)力超過(guò)薄膜材料的抗拉伸強(qiáng)度或抗壓縮強(qiáng)度時(shí)，薄膜就會(huì)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(dǎo)致薄膜迅速熔化、噴發(fā)，最終形成薄膜損傷。

　　他在計(jì)算過(guò)程中考慮了兩個(gè)假設(shè)：首先薄膜厚度遠(yuǎn)小于基底厚度，此時(shí)可認(rèn)為基底為半無(wú)限體，不用考慮基底的吸收影響；其次激光束相對(duì)于薄膜而言為有限尺寸，可認(rèn)為薄膜尺寸為無(wú)限大。 Babb M T模型

　　上面的理論實(shí)際上只是考慮到基膜界面為理想情況的問(wèn)題，大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明：當(dāng)薄膜系統(tǒng)表面有大量雜質(zhì)或微缺陷時(shí)，一旦受到強(qiáng)激光作用，雜質(zhì)和缺陷吸熱后體積會(huì)產(chǎn)生膨脹。若薄膜生長(zhǎng)較致密，界面沒(méi)有足夠的空間容納其擴(kuò)展體積，此時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)直接導(dǎo)致薄膜的破裂。

　　Blembergen，Hopper 及Vhlmann 很早就指出鍍膜過(guò)程中，金屬雜質(zhì)的問(wèn)題無(wú)法避免且不可忽視。

　　但國(guó)內(nèi)外學(xué)者都是在假設(shè)基膜界面為理想情況下建立的薄膜損傷數(shù)學(xué)模型，并沒(méi)有充分考慮實(shí)際的基膜界面有缺陷和雜質(zhì)的情況，其中一個(gè)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(guò)程中雜質(zhì)的作用。因此人們采用先進(jìn)的拋光工藝、鍍膜前烘烤基底、對(duì)薄膜進(jìn)行激光輻照預(yù)處理等多種辦法來(lái)優(yōu)化薄膜基底界面質(zhì)量以求最小的雜質(zhì)缺陷吸收效應(yīng)，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(zhì)和微缺陷可由后處理技術(shù)控制得比較好，但是實(shí)驗(yàn)中人們也觀測(cè)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(wú)法合理解釋該現(xiàn)象；同樣，雖然蒸發(fā)式薄膜的表面質(zhì)量較差、粗糙度很大，但它有較高的LIDT。 后來(lái)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(dāng)激光作用時(shí)膜內(nèi)雜質(zhì)吸熱、體積膨脹并加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于此處周?chē)凶銐虻目臻g容納其受熱后的體積，而且吸收的能量可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)散失掉，減小了產(chǎn)生應(yīng)力的可能性，從而提高了薄膜的抗激光損傷能力。

　　TFCalc光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件功能非常強(qiáng)大，是光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)和分析的通用工具。可用于設(shè)計(jì)各種類(lèi)型的減反、高反、帶通、分光、相位等膜系。 支持各種膜系的建模

　　TFCalc能設(shè)計(jì)基底雙面膜系，單面膜層多達(dá)5000層，支持膜堆公式輸入。并可以模擬各種類(lèi)型的光照：如錐形光束，隨機(jī)輻射光束等。

　　強(qiáng)大的優(yōu)化功能

　　可用極值、變分法等方法優(yōu)化膜系的反射率、透過(guò)率、吸收率、相位、橢偏參數(shù)等目標(biāo)。還可以采用針?lè)?，只要初始的單層膜就可以自?dòng)設(shè)計(jì)出各種膜系。

　　集成了各種分析功能

　　反射率、透過(guò)率、吸收率、橢偏參數(shù)分析；電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線(xiàn)；膜系反射和透過(guò)顏色分析；晶控曲線(xiàn)計(jì)算；膜層公差與敏感度分析；良率分析。

　　實(shí)時(shí)優(yōu)化模塊 TFCalc Reoptimize可以與鍍膜機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)，及時(shí)補(bǔ)償鍍制前層膜時(shí)的公差，保證成品膜性能合格。

　　強(qiáng)大的計(jì)算引擎 DLL

　　可以和Matlab等其它軟件一起使用，支持對(duì)膜系性能的分析。

　　審核編輯：黃飛