偏置电场下类金刚石薄膜的激光损伤特性研究

Diamond-like carbon (DLC) films is an ideal material which is used on the guidance system airborne and shipboard infrared anti-reflection protection of the missile, satellite and other aircraft and various vehicle, but the high power laser weapon is extremely easy to cause DLC film damage of the infrared window surface, leading to the failure of the entire system. Therefore, it is urgent to improve the DLC film Laser-Induced Damage Threshold(LIDT). It has been found that bias electric field can influence the film damage morphology and threshold in DLC film laser damage experiment. By observing and cognizing the DLC film laser damage process and its physical properties and microscopic characteristics on the bias field, the author explores the electronic structure of film ,sp3 and sp2 structure,surface morphology changes which influenced by electric field , in order to elucidate the effects of physical mechanism, differently from the ethnology research ( by changing the substrate material, process parameter, or in the film by doping technology ) to improve DLC film LIDT, trying to change the film external conditions to access the mechanism and physical limits on thin film laser damage by electric field, is a new form for the pretreatment of the DLC films, in addition to considering all internal factors of the DLC films in this application, and it is a kind of new cognitive process of DLC film laser damage, which is expected to become a new method of improving the DLC film LIDT.

类金刚石（DLC）薄膜是导弹、卫星等飞行器以及各种车载、机载和舰载的导引系统红外窗口增透保护的理想材料，但大功率激光武器极易造成红外窗口表面DLC薄膜的损伤，导致整个系统失效，因此，急需寻找提高DLC薄膜激光损伤阈值的方法。在进行DLC薄膜抗激光损伤实验中发现偏置电场能够影响薄膜损伤形貌和阈值。通过观测和认知偏置电场下DLC薄膜的激光损伤过程及其物理特性和微观特性，探索电场对薄膜的电子结构、材料sp3、sp2结构、表面形貌变化影响规律，阐明影响物理机制；与通常借助于工艺研究（通过改变基底材料、工艺参数、或在膜层中进行掺杂等技术）来提高DLC薄膜的激光损伤阈值不同的是，本申请除了考虑DLC薄膜内部各因素外，试图改变薄膜外部条件，获得电场影响薄膜激光损伤阈值的机理及物理极限，是潜在的对DLC薄膜进行预处理的新形式；是一种全新认知DLC薄膜激光损伤过程，有望提高DLC薄膜激光损伤阈值的新方法。

类金刚石（diamond-like carbon，DLC）具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、化学惰性、高电阻，且在可见光和红外电磁频谱区域的光学透明等优良特性。作为优良的红外减反射保护膜材料，是恶劣环境中使用的不可替代的材料之一，但其较低的激光损伤阈值，使其在红外窗口上的应用受到一定限制。与此同时，高能激光器系统中的光学元件长期工作在高强度、大剂量的激光辐射下，导弹、卫星等飞行器的红外窗口，也往往成为激光武器攻击的主要目标。DLC膜较低的抗激光能力严重制约着其在红外大功率激光系统、激光对抗及防护系统中的应用，解决这一瓶颈问题的关键在于对DLC薄膜的激光损伤机制具有清楚明确的认识。. 为了解决此问题，本项目中，使用非平衡磁控溅射技术和脉冲电弧技术沉积了类金刚石薄膜。测试了DLC薄膜的光学特性、激光损伤特性，得到了影响激光损伤特性的关键因素。直接在DLC薄膜表面沉积了Ti电极，形成了横向和纵向电场；使用西安工业大学自主研发的激光损伤阈值测试系统对外加偏置电场下的DLC薄膜激光损伤进行了测试。观测了施加电场前后薄膜的损伤形貌；使用Raman谱进行了分析。对DLC薄膜内部电场强度分布进行了系统地研究与分析，从理论上揭示了DLC薄膜的损伤机制；通过激光预处理、外加电场对薄膜激光损伤特性影响的研究，建立起工艺—结构—性能的相互依存链条，通过综合分析，数值计算与验证，明确了偏置电场与光生载流子漂移速度之间的关系，建立了sp3向sp2杂化转换的物理过程，明析了偏置电场下薄膜损伤的物理机制。. 本项目完成了申请书及计划书的研究任务，明确了DLC薄膜的激光损伤机制，为后续进一步研究提供了实验基础和理论依据。项目进行期间，在国内外刊物上发表相关学术论文12篇，其中SCI、EI收录9篇；申请发明专利1项；参加学术会议6次；培养博士生1名，硕士生2名。