光学薄膜及其应用(中科院版)
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杂质缺陷不仅是直接热源，而且还是非线性过程的 薄弱环节，缺陷区域是初始电子易于发射的区域，这些 电子构成雪崩离化的初始电子从而大大降低薄膜的击穿 阈值。
18
光学薄膜的缺陷破坏
19
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
结瘤缺陷是由于基体表面或薄膜内部存在某种种子源。薄膜在种子上继 续沉积而形成的，它在薄膜内部形成一个锥体，在薄膜表面形成凸起，锥体 的形状和取向，凸起的高低与形态与种子源密切相关，也与沉积工艺和沉积 条件有关。
20
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
结瘤缺陷一个重要的作用就是改变激光在结瘤区 内及其周围的场分布，在薄膜吸收不变的条件下，激 光场的局部加强导致局部吸收增加，局部吸收增加导 致局部温度上升，剧烈的温度梯度又导致薄膜内应力 的增加，这种应力与薄膜几何畸变引起的附加应力是 形成薄膜破坏的重要因素。
21
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
“Laser induced damage threshold and certification procedures of optical materials” NASA reference publication 1395 (1997)
结合多年的工作经验
28
光学薄膜激光损伤测试技术
其他要求（稳定性，监控等） 聚焦系统
R-on-1
能量以斜坡方式递增 预处理效果
N-on-1
R-on-1方法的简化
32
实验装置建立及参数测量
33
光斑尺寸的测量
相纸削波成像法 刀口扫描法 科学CCD成像法
34
激光薄膜光热测量
表面热透镜技术的优点：
大光斑探测光的引入而使表面热透镜技术更易于优化、调节信号， 测量的准确度和可重复率得到了提高，而同时保持了光热偏转方 法的灵敏度；
E0 E0
＝
1 1 t0 r0
r0
1
E1 E1
薄膜内部的电场关系：
E1ei1 E1ei1 E2 E2
n1E1ei1 n1E1ei1 n2 E2 n2 E2
薄膜内部电场方向符号表示
13
矩阵法
依次类推：
E
0
E
0
=
1 m eii
m
ti
i0
ri
eii
i0
可以得到：
ri eii eii
6
光学薄膜概况
薄膜特点
干涉原理，பைடு நூலகம்干相长与相干相消
重要性
“有光就有膜” 涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，
光学系统，大型激光装置等
面临问题
涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特 性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉 积技术少，沉积过程控制水平不高等；
7
主要内容
通过使用CCD作为探测器件或使用针孔光电探测器可反演获得整 个表面变形区域的形状分布，通过对实验数据的数值拟合可得出 样品的光学、热学以及机械性能，
通过高度聚焦抽运光，表面热透镜技术可以做径向分辨的样品吸 收图谱，这对研究强激光薄膜是十分有利的。
修正的表面热透镜技术(背向反射式)有巨大的潜力获得高空间分辨 率，借助于近场光学技术，抽运光可以聚焦至纳米量级。
E m1 0
a c
b d
E m1 0
t Em1 1 E0 a
设： c c1 ic2 , a a1 ia2
则
r
a1c1
a2c2 ia1c2
a12
a
2 2
a2c1
tg r
a1c2 a2c1 a1c1 a2c2
R
r2
a1c1 a2c2 2 a1c2 a2c1 a12 a22 2
膜层厚度引起的位相差…..
16
光学薄膜吸收
反射系数 透射系数
r (n0 n1) i(k0 k1)
i (n0 n1) i(k0 k1)
t
2(n0 ik0 )
i (n0 n1) i(k0 k1)
17
光学薄膜的缺陷破坏
杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个 过程从缺陷内部发生，在缺陷迅速升温到数千度的高温 时，杂质材料急剧气化并形成很大的内压强，这种爆炸 力向薄膜的外层发展，首先使膜层隆起继而把膜层冲掉 形成破坑，并在破坑的周边形成波浪式力学波。
Electricity and Magnetism）
5
1886 Rayleigh 证实了Fresnel反射定律 1899 Fabry-Perot 干涉仪 1932 Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部
反射 1934 Bauer用卤化物制备了减反薄膜 1934 Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜 1939 Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片
表面热透镜光热显微镜
36
光热显微成像杂质、缺陷的分析
高反射膜的光热显微像 （全部像区的尺寸为2.4mm×2.4mm）
37
总结
光学薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
38
谢谢大家！
39
光斑高斯直径1～1.25mm 透镜口径是光斑尺寸的6倍 透镜最小的f数为50 激光输出能量较小时可适当的缩小光斑，但
不得小于0.4mm
29
损伤测试的重要概念
损伤定义 靶面光斑有效面积 高斯半径 测试方法
1-on-1,s-on-1,r-on-1,n-on-1
损伤阈值的确定
50％损伤几率阈值 0％损伤几率阈值
30
激光损伤阈值测试标准装置
Waveplate
Laser system
Variable attenuator
Focusing system
Beamspliter
beam diagnostic
Sample holder
31
其他测试方法
S-on-1
基本与1-on-1相同 维持恒定的能量密度 重视功能上的意义，即用功能性损伤阈值衡量
22
光学薄膜非线性吸收及热力破坏
雪崩击穿破坏 多光子吸收破坏 光学薄膜的热力破坏
23
雪崩击穿
雪崩击穿的物理过程：由多光子离化的等多种过程。 在薄膜内产生少量的初始电子，在被声子散射延迟的激 光作用下，在导带中运动加速到阈值能量εi，迅速产生 光离化，从薄膜材料的价带中激发次级电子进入导带底 部，该电子交出相应的能量后,也下落到导带底部。位于 导带底部的电子再从激光中获取能量，如此周而复始使 电子密度雪崩式的增加，最终达到足够高的电子密度， 通过焦耳热摧毁晶格。
24
多光子吸收
多光子吸收系数 v
v
2vh(2R0 )vW (E02v ) E v/ 2 2v
0
多光子跃迁速率 W
W
2
9
m*
h
2(2
1
2 )1/2
e2 E02
16m* 2
Eg
1
exp
2
1
1
e2 E02
4m* 2Eg
25
光学薄膜的热力破坏
热力过程可由热力耦合方程描述
r
r
th s
0.3(1 h )
27
光学薄膜激光损伤测试技术
激光损伤阈值测试规范
ISO11254-1.2 “Lasers and laser-related equipment—Determination of laser induced damage threshold of optical surface” (2000)
35
激光薄膜光热测量
half w aveplate
HR
chopper
polarizer (rotatable)
YAG
detector Lock-in amplifier
lens B photodetector
pow er shutter meter
HR
alignment He-Ne
HR
lens A sample
2
r
(r2ur )
k
1 k 1 k
(r,t)
r
ur表示位移量，αk为热膨胀系数， k 为泊松比
26
光学薄膜的热力破坏
热爆炸模型
th s
0.3(Ei
/
Eh )(1 h )
线性热弹模型
th s
0.6(Ei
/
Eh )(1 h )
E为杨式模量， 为泊松比，i和h分别代表杂质和基质
内破坏机制
2
1
T
a12 a22
14
光学薄膜吸收
材料吸收
共振吸收 单光子吸收 自由电子吸收 杂质吸收 色心吸收 声子吸收 多光子吸收
15
光学薄膜吸收
折射率由实数变为复数： n
nˆ n ik
折射角由实数变为复数： cosˆj CORj iCOI j
等效导纳由实数变为复数；
反射系数和透射系数 …..
4
薄膜光学形成发展历史
17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（Robert Boyle and Robert Hooke）
1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 1816 Fresnel 发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理论
及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论 1817 Fraunhofer制成了第一块减反薄膜 1873 Maxwell提出了Maxwell方程（A Treatise on
10
理想光学薄膜
光学薄膜
改变光束切向方向－薄膜波导 改变光束法向方向－光学薄膜
355nm
薄膜波导
1064nm 增透薄膜
高反射薄膜
11
理想光学薄膜
薄膜光性计算方法
等效界面法 矩阵法
等效界面法
12
矩阵法
界面的透射及反射系数：
r0
n0 n0
n1 n1
t0
2n0 n0 n1
第一个界面处的电场关系：
激光场分布的畸变函盖了以下几方面因素
薄膜膜层形变，引起结瘤内驻波场分布的变化 结瘤与薄膜连接的部分严重的几何变形导致相关区域
激光场的分布变化 凸起的结瘤形成一个微透镜，光照时会产生聚焦强区 从薄膜的应力出发，薄膜在结瘤区由几何形变产生应
力，而激光作用下，由于巨大的温度梯度又产生热致 内应力，薄膜在激光作用下的应力发展应该是形变应 力与热致应力之和。
薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
8
光学薄膜一般性质
理想光学薄膜 光学薄膜吸收及散射 折射率不均匀性和折射率渐变薄膜 薄膜的各向异性和双折射薄膜 薄膜的偏振和消偏振特性
9
薄膜的相位及位相薄膜 等效折射率、等效导纳和等效界面 薄膜的色散及色散补偿 薄膜的应力及应力控制
光学薄膜及其应用
1
主要内容
薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 光学薄膜的激光损伤
2
主要内容
光学薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
3
薄膜概况
研究领域
薄膜物理 薄膜化学 薄膜材料 薄膜力学
应用领域
光学薄膜 电学薄膜 半导体薄膜 磁性薄膜 生物薄膜
lens C probe He-Ne
PC
Motor driver
Lens A: KPX082, f=50.2 mm Lens C: KPX094, f=100 mm
2-D motor stage
lens D
Lens B: KBX076, f=200 mm Lens D: KPC040, f=-50 mm
18
光学薄膜的缺陷破坏
19
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
结瘤缺陷是由于基体表面或薄膜内部存在某种种子源。薄膜在种子上继 续沉积而形成的，它在薄膜内部形成一个锥体，在薄膜表面形成凸起，锥体 的形状和取向，凸起的高低与形态与种子源密切相关，也与沉积工艺和沉积 条件有关。
20
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
结瘤缺陷一个重要的作用就是改变激光在结瘤区 内及其周围的场分布，在薄膜吸收不变的条件下，激 光场的局部加强导致局部吸收增加，局部吸收增加导 致局部温度上升，剧烈的温度梯度又导致薄膜内应力 的增加，这种应力与薄膜几何畸变引起的附加应力是 形成薄膜破坏的重要因素。
21
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
“Laser induced damage threshold and certification procedures of optical materials” NASA reference publication 1395 (1997)
结合多年的工作经验
28
光学薄膜激光损伤测试技术
其他要求（稳定性，监控等） 聚焦系统
R-on-1
能量以斜坡方式递增 预处理效果
N-on-1
R-on-1方法的简化
32
实验装置建立及参数测量
33
光斑尺寸的测量
相纸削波成像法 刀口扫描法 科学CCD成像法
34
激光薄膜光热测量
表面热透镜技术的优点：
大光斑探测光的引入而使表面热透镜技术更易于优化、调节信号， 测量的准确度和可重复率得到了提高，而同时保持了光热偏转方 法的灵敏度；
E0 E0
＝
1 1 t0 r0
r0
1
E1 E1
薄膜内部的电场关系：
E1ei1 E1ei1 E2 E2
n1E1ei1 n1E1ei1 n2 E2 n2 E2
薄膜内部电场方向符号表示
13
矩阵法
依次类推：
E
0
E
0
=
1 m eii
m
ti
i0
ri
eii
i0
可以得到：
ri eii eii
6
光学薄膜概况
薄膜特点
干涉原理，பைடு நூலகம்干相长与相干相消
重要性
“有光就有膜” 涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，
光学系统，大型激光装置等
面临问题
涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特 性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉 积技术少，沉积过程控制水平不高等；
7
主要内容
通过使用CCD作为探测器件或使用针孔光电探测器可反演获得整 个表面变形区域的形状分布，通过对实验数据的数值拟合可得出 样品的光学、热学以及机械性能，
通过高度聚焦抽运光，表面热透镜技术可以做径向分辨的样品吸 收图谱，这对研究强激光薄膜是十分有利的。
修正的表面热透镜技术(背向反射式)有巨大的潜力获得高空间分辨 率，借助于近场光学技术，抽运光可以聚焦至纳米量级。
E m1 0
a c
b d
E m1 0
t Em1 1 E0 a
设： c c1 ic2 , a a1 ia2
则
r
a1c1
a2c2 ia1c2
a12
a
2 2
a2c1
tg r
a1c2 a2c1 a1c1 a2c2
R
r2
a1c1 a2c2 2 a1c2 a2c1 a12 a22 2
膜层厚度引起的位相差…..
16
光学薄膜吸收
反射系数 透射系数
r (n0 n1) i(k0 k1)
i (n0 n1) i(k0 k1)
t
2(n0 ik0 )
i (n0 n1) i(k0 k1)
17
光学薄膜的缺陷破坏
杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个 过程从缺陷内部发生，在缺陷迅速升温到数千度的高温 时，杂质材料急剧气化并形成很大的内压强，这种爆炸 力向薄膜的外层发展，首先使膜层隆起继而把膜层冲掉 形成破坑，并在破坑的周边形成波浪式力学波。
Electricity and Magnetism）
5
1886 Rayleigh 证实了Fresnel反射定律 1899 Fabry-Perot 干涉仪 1932 Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部
反射 1934 Bauer用卤化物制备了减反薄膜 1934 Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜 1939 Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片
表面热透镜光热显微镜
36
光热显微成像杂质、缺陷的分析
高反射膜的光热显微像 （全部像区的尺寸为2.4mm×2.4mm）
37
总结
光学薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
38
谢谢大家！
39
光斑高斯直径1～1.25mm 透镜口径是光斑尺寸的6倍 透镜最小的f数为50 激光输出能量较小时可适当的缩小光斑，但
不得小于0.4mm
29
损伤测试的重要概念
损伤定义 靶面光斑有效面积 高斯半径 测试方法
1-on-1,s-on-1,r-on-1,n-on-1
损伤阈值的确定
50％损伤几率阈值 0％损伤几率阈值
30
激光损伤阈值测试标准装置
Waveplate
Laser system
Variable attenuator
Focusing system
Beamspliter
beam diagnostic
Sample holder
31
其他测试方法
S-on-1
基本与1-on-1相同 维持恒定的能量密度 重视功能上的意义，即用功能性损伤阈值衡量
22
光学薄膜非线性吸收及热力破坏
雪崩击穿破坏 多光子吸收破坏 光学薄膜的热力破坏
23
雪崩击穿
雪崩击穿的物理过程：由多光子离化的等多种过程。 在薄膜内产生少量的初始电子，在被声子散射延迟的激 光作用下，在导带中运动加速到阈值能量εi，迅速产生 光离化，从薄膜材料的价带中激发次级电子进入导带底 部，该电子交出相应的能量后,也下落到导带底部。位于 导带底部的电子再从激光中获取能量，如此周而复始使 电子密度雪崩式的增加，最终达到足够高的电子密度， 通过焦耳热摧毁晶格。
24
多光子吸收
多光子吸收系数 v
v
2vh(2R0 )vW (E02v ) E v/ 2 2v
0
多光子跃迁速率 W
W
2
9
m*
h
2(2
1
2 )1/2
e2 E02
16m* 2
Eg
1
exp
2
1
1
e2 E02
4m* 2Eg
25
光学薄膜的热力破坏
热力过程可由热力耦合方程描述
r
r
th s
0.3(1 h )
27
光学薄膜激光损伤测试技术
激光损伤阈值测试规范
ISO11254-1.2 “Lasers and laser-related equipment—Determination of laser induced damage threshold of optical surface” (2000)
35
激光薄膜光热测量
half w aveplate
HR
chopper
polarizer (rotatable)
YAG
detector Lock-in amplifier
lens B photodetector
pow er shutter meter
HR
alignment He-Ne
HR
lens A sample
2
r
(r2ur )
k
1 k 1 k
(r,t)
r
ur表示位移量，αk为热膨胀系数， k 为泊松比
26
光学薄膜的热力破坏
热爆炸模型
th s
0.3(Ei
/
Eh )(1 h )
线性热弹模型
th s
0.6(Ei
/
Eh )(1 h )
E为杨式模量， 为泊松比，i和h分别代表杂质和基质
内破坏机制
2
1
T
a12 a22
14
光学薄膜吸收
材料吸收
共振吸收 单光子吸收 自由电子吸收 杂质吸收 色心吸收 声子吸收 多光子吸收
15
光学薄膜吸收
折射率由实数变为复数： n
nˆ n ik
折射角由实数变为复数： cosˆj CORj iCOI j
等效导纳由实数变为复数；
反射系数和透射系数 …..
4
薄膜光学形成发展历史
17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（Robert Boyle and Robert Hooke）
1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 1816 Fresnel 发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理论
及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论 1817 Fraunhofer制成了第一块减反薄膜 1873 Maxwell提出了Maxwell方程（A Treatise on
10
理想光学薄膜
光学薄膜
改变光束切向方向－薄膜波导 改变光束法向方向－光学薄膜
355nm
薄膜波导
1064nm 增透薄膜
高反射薄膜
11
理想光学薄膜
薄膜光性计算方法
等效界面法 矩阵法
等效界面法
12
矩阵法
界面的透射及反射系数：
r0
n0 n0
n1 n1
t0
2n0 n0 n1
第一个界面处的电场关系：
激光场分布的畸变函盖了以下几方面因素
薄膜膜层形变，引起结瘤内驻波场分布的变化 结瘤与薄膜连接的部分严重的几何变形导致相关区域
激光场的分布变化 凸起的结瘤形成一个微透镜，光照时会产生聚焦强区 从薄膜的应力出发，薄膜在结瘤区由几何形变产生应
力，而激光作用下，由于巨大的温度梯度又产生热致 内应力，薄膜在激光作用下的应力发展应该是形变应 力与热致应力之和。
薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
8
光学薄膜一般性质
理想光学薄膜 光学薄膜吸收及散射 折射率不均匀性和折射率渐变薄膜 薄膜的各向异性和双折射薄膜 薄膜的偏振和消偏振特性
9
薄膜的相位及位相薄膜 等效折射率、等效导纳和等效界面 薄膜的色散及色散补偿 薄膜的应力及应力控制
光学薄膜及其应用
1
主要内容
薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 光学薄膜的激光损伤
2
主要内容
光学薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
3
薄膜概况
研究领域
薄膜物理 薄膜化学 薄膜材料 薄膜力学
应用领域
光学薄膜 电学薄膜 半导体薄膜 磁性薄膜 生物薄膜
lens C probe He-Ne
PC
Motor driver
Lens A: KPX082, f=50.2 mm Lens C: KPX094, f=100 mm
2-D motor stage
lens D
Lens B: KBX076, f=200 mm Lens D: KPC040, f=-50 mm