各向异性基底高能激光薄膜热效应下应力释放机制研究

Anisotropic optical crystals are the key element in the Diode Pumped Solid State Laser (DPSSL), and the performance of the optical coatings in optical crystals determines the development of the high power and highly integrated DPSSL. Due to the difference of the material properties, the optical coatings in the anisotropic substrate are easy to crack by the thermal effect under the radiation of high power laser, it greatly affects the stability and quality of the laser. The researches in this field are rarely explored, hampers the further development of the high power DPSSL, so the study of the stress release mechanism of the laser coatings in the anisotropic substrate has great significance for scientific research and application. This project is planned to carry out the theoretical simulation and experimental research, develop the numerical simulation model of the thermal effect process of laser crystal coatings, systematically investigate the damage micro-structure of the dichroic mirrors in the anisotropic substrate, analyze the relationship between the thermal-induced crack and the substrate, thin film structure and deposition parameters, clarify the main limiting factors of the thermal-induced crack in laser crystal coatings. Furthermore, this research will develop the novel method to control the optical coating stress and the defects in the substrate-coating interface, realize the production of multi-function optical coatings in anisotropic substrate, and provide key technology support for the development of high power DPSSL.

各向异性光学晶体是激光二极管泵浦固体激光器（DPSSL）的核心元件，而各向异性基底多功能光学薄膜的性能是DPSSL向高功率、集成化发展的关键。由于材料特性的差异，各向异性基底光学薄膜在高能激光热效应下极易开裂损伤，直接影响激光稳定性和输出质量。目前国内外在这方面研究极为有限，严重阻碍了高平均功率DPSSL的发展，因此研究各向异性基底高能激光薄膜热效应下应力释放机制具有重要科学意义和应用价值。本项目针对各向异性基底较厚光学薄膜热致开裂问题开展理论模拟和实验研究，建立各向异性基底高能激光薄膜热效应下应力释放的理论模型，系统研究不同各向异性基底表面二向色膜热致开裂的微观结构，分析热致开裂现象与各向异性基底、薄膜结构、工艺参数的定性关系，明确其限制性因素，探索各向异性基底薄膜应力及界面缺陷控制方法，实现各向异性基底高能激光多功能薄膜的研制，为我国高功率DPSSL的发展提供关键基础技术支撑。

各向异性光学晶体是激光二极管泵浦固体激光器（DPSSL）的核心元件，而各向异性基底多功能光学薄膜的性能是DPSSL向高功率、集成化发展的关键。本项目针对各向异性基底较厚光学薄膜热致开裂问题开展理论模拟和实验研究，研究工作的开展基本上按照项目的研究计划和实施方案进行，完成了项目的研究内容和研究目标。主要取得了三方面的研究成果：1）建立各向异性基底高能激光薄膜热效应下应力释放的理论模型，实现各向异性基底薄膜的热应力分布以及应变情况模拟，研究了薄膜中纳米吸收缺陷、微裂纹等结构对薄膜热效应下开裂损伤中的作用。2）系统研究不同各向异性基底表面二向色膜热致开裂的微观结构，分析热致开裂现象与各向异性基底、薄膜结构、工艺参数的定性关系。研究了常用薄膜材料的薄膜力学特性，并探索了HfO2-SiO2混合膜力学、微观结构特性；合理选择工艺条件制备不同厚度HfO2/SiO2薄膜结构的二向色膜，分析了不同晶体上不同厚度多层膜的薄膜表面热致开裂现象变化规律；深入研究了各向异性最显著的LBO晶体表面薄膜的力学特性。3）探索各向异性基底薄膜应力及界面缺陷控制方法，实现各向异性基底高能激光多功能薄膜制备。基于单层HfO2、SiO2、Al2O3材料薄膜应力特性研究，优化设计并实现了满足光学特性要求、电场分布较小、应力优化的二向色膜结构；针对YAG、LBO等不同晶体特性，优化清洗溶剂的浓度，改变超声波频率、清洗溶剂等工艺参数实现了各向异性晶体的无损、高效清洗；针对各向异性最明显的LBO晶体，优化薄膜材料有效防止薄膜破裂，实现力学、损伤性能提升。实验表明在NdYVO4，YAG，LiNbO3晶体基板上可以实现6um以上二向色膜制备。.相关研究工作发表Optics Letters(1篇)、Optics Express（1篇）、Applied Optics（2篇）等SCI和EI检索文章7篇，相关工艺技术研究申请发明专利3项，其中一项已获授权，近3年来1次在光学干涉薄膜方面的国际会议上做邀请报告，1次做口头报告。培养硕士研究生一名，与中物院参研青年积极合作，提供了要求的样品及技术总结报告。