金刚石薄膜抗激光破坏研究
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具有 优异 性能 和应 用前景 的新 型 功能材 料 ¨ 。
金 刚 石 的优 异 特 性 使 其 用 于 光 电 产 品成 为 可
能， 已经 有人对 其 在 高性 能传 感 器 、 外 窗 口 、 纤 红 光 和 光 电效应 等 方 面 进 行 了研 究 。 对 金 刚 石 激 光 ，
损 伤及 激光辐 照对 其结 构 和性能 的影 响进 行分 析具
有 十分 现实 的意 义 。
３ 金 刚 石 薄 膜 激 光 损 伤
２ 激光损伤 阈值测量方法
２ ０世纪 ８ ０年 代 ， ． ｌｉ Ｓ Ａ ｂｎ等人 ¨ 对 金 刚石 自 广 义 上讲 ， 光学 元 件 的激 光 损 伤 是指 由 于激 光 的作用 使元 件性 能 或 者结 构 发 生 可 观 察 到 的 变化 ， 包 括结 构破 坏和 功 能性损 伤 。结构 破坏 分 为表 面损 支撑 薄 膜和硅 衬 底 上 沉 积 金 刚石 薄膜 在 ５ ２ｎ 和 ３ ｍ １ ６ ｍ波长下 的 激 光 损 伤 行 为 进 行 了 研 究 ， 果 ０ ４ｎ 结 显 示 金 刚 石 具 有 较 高 的 激 光 损 伤 阈 值 。 厚 为
１ 前 言
金 刚石 晶体 属立 方 晶 系 ， 具有 面 心 立 方 晶胞 的 结构 ， 每个 碳原 子都 以 ｓ 化轨 道与 另外 四个碳 原 ｐ杂 子形 成共 价键 ， 成 正 四面 体 。这 样 的 特殊 结 构 使 构 其具 有极 其优 异 的化 学 惰 性 、 学 、 学 、 力 声 光学 及 电 学特 性 。在 已知材 料 中 ， 刚石 的硬 度最 高 ， 导率 金 热
金 刚 石 薄 膜 抗 激 光 破 坏 研 究
韩 杰 才 ， 高 巍 ， 朱嘉 琦
（ 尔 滨 工 业 大 学 复合 材 料 与 结 构 研 究 所 ，黑 龙 江 哈 尔 滨 １０ ８ ） 哈 ５０ ０
摘
要 ： 介绍 了金 刚石优异 的光学 和力学特性 ， 对金 刚石薄膜 在从 紫外到红 外波段 以及 不同脉 宽激光参 数下 的
１８ ｍ的金刚石 自支撑 薄膜 在 ５ ２ｎ 和 １ ６ ｍ ．７Ｉ ｘ ３ ｍ ０４ｎ
伤和体 损伤 ， 能 性损 伤 为光 学 性 能 的 改变 。对 薄 功
膜材料 的研 究 即是 表 面损 伤 ， 伤 的表 现 形 态 主 要 损
的激光 损 伤 阈 值 分 别 为６Ｊｃ （ ０ ｍ ３ ０ ／ ＭＷ／ ｍ 和 ｃ ）
最 高 ， 氏模 量最 高 ， 波 传 声 速 度 最快 ， 外 金 刚 杨 纵 另
石 的摩 擦 系数和 热 膨胀 系数 也 较 小 ； 刚 石 化 学性 金 质极其 稳定 ， 抗所 有酸 碱及 溶剂 的腐 蚀 ， 辐 射能 力 抗 极 好 ， 以在高 辐射 的恶 劣环境 中工作 ； 可 金刚 石禁 带 宽度达 ５ ４ 吸收 系 数小 ， 可 见光 和 整 个 红 外 ． ５ Ｖ， ｅ 对 波段 几乎 透 明。 因此 金 刚石一 直是 人们 十分 关 注的
激光损伤行为和损伤阈值进行 了评述 。分析 了不 同激光 工作 参数 对金刚石薄膜的激 光损伤机理 ， 为石墨化导 致 认
晶 格 失 稳 是 金 刚 石 薄 膜 激 光 损 伤 的 主要 原 因 。金 刚石 薄 膜石 墨 化 有 两 种 方 式 ： 直 表 面 向 体 层 方 向石 墨 化 和平 行 垂 表 面 按 分 层 的方 式 逐 层 石 墨 化 。 关 键 词 ： 金 刚 石 薄 膜 ； 光 损 伤 阈值 ； 光 损 伤 机 理 激 激 中 图分 类 号 ： Ｔ ６ Ｑ １３ 文献标识码 ： Ａ
维普资讯
第２ ２卷
第１ 期
新
型
炭
材
料
Ｖｏ１２２ Ｎ ｏ． ． １ Ｍ ａ ． ２ ０７ ｒ ０
２０ ０ ７年 ３月
ＮＥⅥｒＣＡＲＢＯ Ｎ ＡＴＥＲＩ Ｍ ＡＬＳ
文章 编 号 ： ７ ０ ４０ ２０
有 表 面形貌 变化 、 相变 、 色变 化 、 颜 产生 波纹 、 薄膜 剥
层或 脱 落 、 裂纹 和 融 化 等 。功 能性 损 伤 主要 有 下 面 四种 ： 热致 功能 损伤 ， 现为 表面 形变 、 表 像场 畸变 、 热 应力 变形 、 光学 参数 变化 和热 致伸 缩变 形 ； 反射 型元 件损 伤 ， 现 为反射 率变 化 、 表 位相 变化 、 波形 畸 变 、 散 射增 加 和光束 偏转 ； 透射 型 元件损 伤 ， 表现 为梯 度折 射率 效应 、 自聚 焦／ 自散 焦 、 双折 射 效 应 、 束 偏 转 、 光 透射 率 变化 、 差 、 像 像散 、 场 畸变 和空 间分 布变化 ； 光 场致 功 能损 伤 ， 现 为 双 折 射 、 线 性 效 应 、 收 增 表 非 吸 加 和透 过率 降低 ¨ 。 光 学 元件 激 光 损 伤 的检 测 手 段有 多种 ， 见 的 常 有 显微 镜观 察法 、 离子 闪光法 、 息法 、 射光 法 、 等 全 散 热 光偏 转法 和 扫 描 电镜 法 等 。 为 了使 测 量 准 确 ， 往 往要结 合 几种分 析方 法进 行研 究 。鉴 于光学 元 件本 身 的不均 匀性 和激 光 束 输 出 特性 的起 伏 等 原 因 ， 损 伤 的发生 具 有 一 定 概 率 。 目前 通 用 的 是 零 损 伤 阈 值 ， 定 义为可 引 起 光学 表 面 损 伤 几 率 为 零 的最 大 其 激光 束能 量密 度或 功率 密度 ［ Ａ］ １ ３。 ２
收 稿 日期 ：０ ６０ － 修 回 日期 ：０ ７０ －８ ２ ０ －６０ ９； ２ ０ －２２
通 讯 作 者 ： 嘉 琦 ． － ｉ ｈｊ＠ ｈｔｅ ｕ ｅ 朱 Ｅｍａｌ ｕｑ ｉ ｄ ．ｌ ：ｚ ． ｉ
金 刚 石 的优 异 特 性 使 其 用 于 光 电 产 品成 为 可
能， 已经 有人对 其 在 高性 能传 感 器 、 外 窗 口 、 纤 红 光 和 光 电效应 等 方 面 进 行 了研 究 。 对 金 刚 石 激 光 ，
损 伤及 激光辐 照对 其结 构 和性能 的影 响进 行分 析具
有 十分 现实 的意 义 。
３ 金 刚 石 薄 膜 激 光 损 伤
２ 激光损伤 阈值测量方法
２ ０世纪 ８ ０年 代 ， ． ｌｉ Ｓ Ａ ｂｎ等人 ¨ 对 金 刚石 自 广 义 上讲 ， 光学 元 件 的激 光 损 伤 是指 由 于激 光 的作用 使元 件性 能 或 者结 构 发 生 可 观 察 到 的 变化 ， 包 括结 构破 坏和 功 能性损 伤 。结构 破坏 分 为表 面损 支撑 薄 膜和硅 衬 底 上 沉 积 金 刚石 薄膜 在 ５ ２ｎ 和 ３ ｍ １ ６ ｍ波长下 的 激 光 损 伤 行 为 进 行 了 研 究 ， 果 ０ ４ｎ 结 显 示 金 刚 石 具 有 较 高 的 激 光 损 伤 阈 值 。 厚 为
１ 前 言
金 刚石 晶体 属立 方 晶 系 ， 具有 面 心 立 方 晶胞 的 结构 ， 每个 碳原 子都 以 ｓ 化轨 道与 另外 四个碳 原 ｐ杂 子形 成共 价键 ， 成 正 四面 体 。这 样 的 特殊 结 构 使 构 其具 有极 其优 异 的化 学 惰 性 、 学 、 学 、 力 声 光学 及 电 学特 性 。在 已知材 料 中 ， 刚石 的硬 度最 高 ， 导率 金 热
金 刚 石 薄 膜 抗 激 光 破 坏 研 究
韩 杰 才 ， 高 巍 ， 朱嘉 琦
（ 尔 滨 工 业 大 学 复合 材 料 与 结 构 研 究 所 ，黑 龙 江 哈 尔 滨 １０ ８ ） 哈 ５０ ０
摘
要 ： 介绍 了金 刚石优异 的光学 和力学特性 ， 对金 刚石薄膜 在从 紫外到红 外波段 以及 不同脉 宽激光参 数下 的
１８ ｍ的金刚石 自支撑 薄膜 在 ５ ２ｎ 和 １ ６ ｍ ．７Ｉ ｘ ３ ｍ ０４ｎ
伤和体 损伤 ， 能 性损 伤 为光 学 性 能 的 改变 。对 薄 功
膜材料 的研 究 即是 表 面损 伤 ， 伤 的表 现 形 态 主 要 损
的激光 损 伤 阈 值 分 别 为６Ｊｃ （ ０ ｍ ３ ０ ／ ＭＷ／ ｍ 和 ｃ ）
最 高 ， 氏模 量最 高 ， 波 传 声 速 度 最快 ， 外 金 刚 杨 纵 另
石 的摩 擦 系数和 热 膨胀 系数 也 较 小 ； 刚 石 化 学性 金 质极其 稳定 ， 抗所 有酸 碱及 溶剂 的腐 蚀 ， 辐 射能 力 抗 极 好 ， 以在高 辐射 的恶 劣环境 中工作 ； 可 金刚 石禁 带 宽度达 ５ ４ 吸收 系 数小 ， 可 见光 和 整 个 红 外 ． ５ Ｖ， ｅ 对 波段 几乎 透 明。 因此 金 刚石一 直是 人们 十分 关 注的
激光损伤行为和损伤阈值进行 了评述 。分析 了不 同激光 工作 参数 对金刚石薄膜的激 光损伤机理 ， 为石墨化导 致 认
晶 格 失 稳 是 金 刚 石 薄 膜 激 光 损 伤 的 主要 原 因 。金 刚石 薄 膜石 墨 化 有 两 种 方 式 ： 直 表 面 向 体 层 方 向石 墨 化 和平 行 垂 表 面 按 分 层 的方 式 逐 层 石 墨 化 。 关 键 词 ： 金 刚 石 薄 膜 ； 光 损 伤 阈值 ； 光 损 伤 机 理 激 激 中 图分 类 号 ： Ｔ ６ Ｑ １３ 文献标识码 ： Ａ
维普资讯
第２ ２卷
第１ 期
新
型
炭
材
料
Ｖｏ１２２ Ｎ ｏ． ． １ Ｍ ａ ． ２ ０７ ｒ ０
２０ ０ ７年 ３月
ＮＥⅥｒＣＡＲＢＯ Ｎ ＡＴＥＲＩ Ｍ ＡＬＳ
文章 编 号 ： ７ ０ ４０ ２０
有 表 面形貌 变化 、 相变 、 色变 化 、 颜 产生 波纹 、 薄膜 剥
层或 脱 落 、 裂纹 和 融 化 等 。功 能性 损 伤 主要 有 下 面 四种 ： 热致 功能 损伤 ， 现为 表面 形变 、 表 像场 畸变 、 热 应力 变形 、 光学 参数 变化 和热 致伸 缩变 形 ； 反射 型元 件损 伤 ， 现 为反射 率变 化 、 表 位相 变化 、 波形 畸 变 、 散 射增 加 和光束 偏转 ； 透射 型 元件损 伤 ， 表现 为梯 度折 射率 效应 、 自聚 焦／ 自散 焦 、 双折 射 效 应 、 束 偏 转 、 光 透射 率 变化 、 差 、 像 像散 、 场 畸变 和空 间分 布变化 ； 光 场致 功 能损 伤 ， 现 为 双 折 射 、 线 性 效 应 、 收 增 表 非 吸 加 和透 过率 降低 ¨ 。 光 学 元件 激 光 损 伤 的检 测 手 段有 多种 ， 见 的 常 有 显微 镜观 察法 、 离子 闪光法 、 息法 、 射光 法 、 等 全 散 热 光偏 转法 和 扫 描 电镜 法 等 。 为 了使 测 量 准 确 ， 往 往要结 合 几种分 析方 法进 行研 究 。鉴 于光学 元 件本 身 的不均 匀性 和激 光 束 输 出 特性 的起 伏 等 原 因 ， 损 伤 的发生 具 有 一 定 概 率 。 目前 通 用 的 是 零 损 伤 阈 值 ， 定 义为可 引 起 光学 表 面 损 伤 几 率 为 零 的最 大 其 激光 束能 量密 度或 功率 密度 ［ Ａ］ １ ３。 ２
收 稿 日期 ：０ ６０ － 修 回 日期 ：０ ７０ －８ ２ ０ －６０ ９； ２ ０ －２２
通 讯 作 者 ： 嘉 琦 ． － ｉ ｈｊ＠ ｈｔｅ ｕ ｅ 朱 Ｅｍａｌ ｕｑ ｉ ｄ ．ｌ ：ｚ ． ｉ