高重频超短脉冲激光诱导混合氧化物薄膜缺陷演化及膜层疲劳损伤机制研究

The oxide mixture optical coatings is of great importance to the high power laser system, as the refractive index and stress of such coatings can be modulated. Under irradiation of high repetition rate ultra-shot pulse laser, the laser induced damage threshold of the optical coating is reduced by the fragile effect induced by defects. In our work, we will research the defect property evolution during the laser irradiation by experiment methods such as photon-thermal lens technology. The evolution of optical coating property will be analyzed by combined test of laser induced damage experiment and in-situ measurement. Based on the defect evolution property and fragile damage mechanism, a model of relationship between defect evolution and fragile effect under high repetition rate ultra-shot pulse laser will be established. The research is helpful for the suppression of defect that may reduced the laser induced damage threshold of the mixture optical coating.

混合氧化物薄膜由于具备折射率、应力等参数可以调控的特性而成为高功率激光薄膜的重要发展方向。在高重频超短脉冲激光的作用下，缺陷所诱导的膜层疲劳损伤效应成为了导致其激光负载能力降低的重要因素。本课题针对混合氧化物薄膜的缺陷特性与膜层疲劳损伤的关联机制开展相关研究：基于光热透镜分析、慢正电子湮没等分析技术，结合超短脉冲激光加载实验获取初态缺陷演化特性和中间态缺陷参数信息；利用膜层疲劳损伤测试结合在线表征方法获取疲劳损伤导致膜层参数演化的规律和机制；基于实验结果进一步探索在高重频超短脉冲激光加载条件下膜层缺陷特性和疲劳损伤效应之间的关联机理和模型。本课题研究成果可揭示缺陷参数和混合氧化物膜层疲劳效应间的关联机制，为关键缺陷的针对性抑制提供理论基础。

混合氧化物薄膜在未来高重频超短脉冲激光系统应用方向有重要应用前景，而缺陷所诱导产生的膜层疲劳损伤则是限制薄膜激光负载能力的关键因素。本项目研究以混合氧化物薄膜缺陷特性为切入点，深入开展高重频超短脉冲加载条件下的混合氧化物薄膜疲劳损伤机理研究。在项目的研究中，利用离子束溅射双元拼接靶材的方式制备了一系列混合氧化物薄膜样品。利用光热透镜技术、慢正电子湮没技术等方式表征混合氧化物薄膜初态缺陷的密度分布、吸收强度特性等特征，结合激光加载实验，分析了混合氧化物薄膜中间态缺陷特性。研究表明，混合氧化物薄膜中分布有多种类型纳米级缺陷，缺陷密集区域存在于膜层表面和界面处。在高重频超短脉冲辐射条件下,产生的中间态缺陷会加强膜层对激光能量的吸收。针对膜层材料参数和中间态缺陷之间的关联关系开展了研究分析，获取了中间态缺陷的产生规律。开展了一系列激光诱导膜层疲劳损伤实验，损伤阈值和损伤形貌表明在高重频超短脉冲激光作用下，膜层的破坏机制包括高自由电子密度导致的电离破坏和激光能量累积导致的热致破坏。对膜层疲劳损伤机制进行了深入分析，不同混合比例膜层表现出的损伤特性差异源自本征材料能级和缺陷参数的差异。项目研究工作按照计划书执行，研究成果与经验可作为后续研究的支撑，具有十分重要的基础科学价值，也具有一定的工程应用前景。