中性密度濾光片的損傷分析

中性密度濾光片是在K9光學(xué)玻璃基底上，鍍不同光密度金屬膜，使其在從可見光到近紅外光區(qū)的寬波段內(nèi)保持近似相等的能量透過(guò)率。來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的有效吸收．由于損傷閾值較低，嚴(yán)重限制了其在高能激光系統(tǒng)中的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)研究了較高激光能量密度下濾光片的損傷形貌和損傷機(jī)理．損傷形貌的變化特征是：隨著激光能量密度的增加，濾光片先出現(xiàn)損傷點(diǎn)，后以損傷點(diǎn)為中心產(chǎn)生裂紋，且裂紋長(zhǎng)度逐漸變長(zhǎng)，最終連接成線狀和塊狀，導(dǎo)致大面積的薄膜脫落．建立了缺陷吸收激光能量升溫致中性密度濾光片表面薄膜損傷的模型，計(jì)算了薄膜表面的溫度和應(yīng)力分布，討論了薄膜表面不均勻溫升造成的徑向、環(huán)向和軸向熱應(yīng)力分布。理論分析顯示：環(huán)向應(yīng)力是造成溥膜沿徑向產(chǎn)生裂紋的主要原因，當(dāng)激光能量密度大于約2.2 J/cm2，雜質(zhì)粒子半徑大于140 nm且相鄰雜質(zhì)粒子之間的距離小于10 pm時(shí)，裂紋才能大量連接起來(lái)引起薄膜的大面積脫落。 

濾光片可以衰減光強(qiáng)度，改變光譜成分或限定振動(dòng)面，所以被廣泛應(yīng)用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)中．但是濾光片在高能激光系統(tǒng)中是極易損傷的，研究它的損傷機(jī)理對(duì)于提高高能激光系統(tǒng)的性能有重要的意義。

濾光片是鍍膜元件，它的損傷主要集中在膜層。國(guó)內(nèi)外對(duì)于雜質(zhì)誘導(dǎo)薄膜損傷的理論研究有很多，基于雜質(zhì)吸收的熱機(jī)械過(guò)程，薄膜的損傷概率與雜質(zhì)密度、雜質(zhì)尺寸、雜質(zhì)填埋深度、激光功率密度、薄膜厚度都有一定的關(guān)系。以雜質(zhì)粒子強(qiáng)吸收和熱輻射模型為基礎(chǔ)，結(jié)合熱傳導(dǎo)方程、熱彈性方程等研究發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)粒子誘導(dǎo)薄膜損傷過(guò)程中薄膜出現(xiàn)了塊狀、環(huán)狀和坑狀損傷，損傷的大小與激光能量密度和雜質(zhì)填滿深度等有關(guān)。

以上的研究工作主要集中在激光作用于薄膜引起的薄膜層裂，而對(duì)薄膜表面的徑向裂紋和徑向裂紋連接起來(lái)引起的薄膜脫落，報(bào)道較少，因比對(duì)該問題的研究是很有必要的。 

本文對(duì)中性密度濾光片的損傷形貌及其演化過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)，分析強(qiáng)吸收雜質(zhì)粒子對(duì)薄膜損傷的誘導(dǎo)作用，討論了激光能量密度、雜質(zhì)粒子的尺寸和分布密度對(duì)濾光片損傷的影響。