2-5μm波段激光薄膜水吸附演化特性及其对薄膜性能影响的研究

Infrared lasers at 2-5μm wavelength range are used in various fields such as medical, space remote sensing, optical communication and gas detection. With the growing demands in space offensive, defensive and high field laser physics, the development of mid-infrared laser is promoted towards broad-band, tunable, ultra-short and ultra-intense. Large coefficient of moisture absorption is a significant characteristic at this band. Different forms of water and hydrates have great influence on the optical properties, internal stress and laser irradiation resistance of coatings. In this project typical film materials will be selected and deposited on the different substrates. Adsorption characteristics and film properties will be detected and analysed at different stages and different conditions. The relationship between moisture absorption quantity, different forms of water, hydrates and coating material, microstructure, external circumstance will be studied. Adsorption kinetics model and hydration kinetic model will be adopted according to the result of experimentation, evolvement rules and theoretical models will be established about the different forms of water, hydrates, optical absorption and forces. The achievements of this proposed project will be helpful to design, deposit and use the Mid-Infrared coatings with stress control and high damage resistance.

面向2-5μm波段激光在医疗、空间遥感、光通信、气体探测等领域的广泛应用，尤其是在空间对抗、强场激光物理等方面的需求牵引。基于此波段水吸收系数高的重要特性，膜内吸附水的不同形态、水化物对薄膜的光学性质、力学性质和抗激光辐照能力都有很大影响。本项目拟在不同类型基底上选镀2-5μm波段典型薄膜，探测分析不同阶段、不同条件的吸附水变化特性和薄膜特性，获得水吸附量、水在膜内存在状态、水化反应及其生成物与薄膜组分、微结构及外部环境的关系；基于吸附动力学、水化动力学，建立薄膜内自由水、羟基、水化物及其对应的吸收、作用力的演化规律及理论模型。研究成果将有助于中红外激光薄膜元件的设计、研制、使用；有助于薄膜应力的调控、抗激光辐照能力的提高。

. 2-5μm波段红外激光在医疗、空间遥感、光通信、气体探测等领域有广泛应用，尤其是在空间对抗、强场激光物理等方面有需求牵引。2-5μm激光器内使用的薄膜元件有其特殊性，包括薄膜元件工作波长长、膜层厚、水吸收系数高、从抗纳秒激光逐步向抗皮秒、飞秒、阿秒激光发展等特点。在这些特性中，水吸收是此波段较为特殊的特性。因此研究2-5μm波段薄膜水吸收特性和除水工艺，对提高此波段激光效率和激光强度具有重要意义。. 在课题组全体人员的合作与努力下，2-5μm波段激光薄膜水吸附演化特性及其对薄膜性能影响的研究取得以下重要成果：设计、研制出了腔长从微米到毫米级的水吸收系数测量装置，实现了跨越4个数量级的水吸收系数的测量；采用原位退火的方法研究了不同温度下不同薄膜在2-5μm波段的退吸附特性，实时获得了水吸附在薄膜中强度、存在形式的变化规律；对退火后的薄膜进行透过率测量发现，TiO2薄膜从非晶到晶态的转变可大幅降低水吸收，提高透过率；研究了2μm飞秒激光对不同制备技术制得的不同材料、不同结构的2μm高反膜的损伤特性，从而得到2μm波段光学薄膜在飞秒激光作用下的损伤实验规律，通过导带电子数密度理论计算模型成功解释了实验结果，揭示了膜层中水吸收的存在对飞秒激光作用光学薄膜损伤特性的影响。. 在基金强有力的支持下，三年来共发表论文9篇，培养研究生2名。总体说来，完成了指标，达到了预期目的。本项目逐步将研究成果、成熟技术、成熟工艺应用到2~5μm波段红外薄膜的研制中，降低红外镀膜元件的吸收，提升其抗激光损伤的能力。随着系统级产品种类和量产规模的不断扩大，红外器件的成本逐渐降低，高性能红外镀膜元件会促进红外技术在军用、民用领域不断地探寻更多的用途。