中文摘要：

基于激光薄膜中的缺陷是导致薄膜激光损伤的重要诱因，降低薄膜中的缺陷是获得高损伤阈值的关键。本项目以高功率激光系统中较常用到的HfO2薄膜为切入点，拟详细研究HfO2薄膜中缺陷的产生机制，建立非线性缺陷诱导薄膜激光损伤模型。从材料特性出发，详细研究HfO2镀膜材料的相变机制，提出相变是HfO2薄膜缺陷产生的主要原因，寻求从源头上抑制薄膜中缺陷产生的途径。探索稳定的制备工艺，将实验与理论结合，来实现相稳定、低缺陷密度、高损伤阈值的激光薄膜。该项目的立项研究不仅对于实现低缺陷密度，高损伤阈值的抗激光薄膜具有重要的科学意义，而且对提高我国在高功率激光领域中的研究和开发能力也具有十分重要的现实意义。

结论摘要：

本项目深入研究了缺陷对薄膜激光损伤阈值的影响。缺陷常为强吸收物质，在激光辐照情况下，缺陷种子吸收入射激光能量而迅速升温，当温度达到临界温度时，会造成热融性破坏或热力耦合破坏，降低薄膜激光损伤阈值，最终引起薄膜元件损伤。缺陷还可以引起膜系和结构的畸变，从而加剧薄膜的激光损伤过程。建立了缺陷诱导薄膜激光损伤模型。缺陷吸收激光能量后温度升高，材料的带隙减小，相应的吸收增加。带隙减小所引起吸收的增加可以通过吸收截面的变化来表示。由于缺陷的吸收截面的变化是非线性过程，此时能量高的电子将被激发到更高能态，当温度达到临界温度如熔点时，从而造成热融性破坏或热力耦合破坏，最终引起薄膜元件损伤。从材料特性出发，详细研究了HfO2镀膜材料的相变机制，提出相变是HfO2薄膜缺陷产生的主要原因。在镀膜过程中，一定存在一个温度梯度，在束流扫过的区域，总是存在相变，使体积发生变化，同时必然产生应力释放，发生喷溅的几率大大增加，从而使薄膜表面缺陷密度增加。因此相变是HfO2薄膜产生缺陷的主要原因。通过改进制备技术和烧成工艺，制备出相稳定的YSH镀膜材料。当Y2O3的摩尔加入量大于7％时，可制得相稳定的YSH镀膜材料，最高烧成温度为2000℃时，制得材料致密，均匀性好。选用不用Y2O3含量的四种镀膜材料，分别制备YSH薄膜。结果表明随着Y2O3含量的增加，HfO2的晶相从单斜相转变为立方相，这充分表明了Y2O3对HfO2的稳定作用，也体现了HfO2薄膜由非稳定相向稳定相的转变，并且得到结构稳定的薄膜；随着Y2O3含量的增加，薄膜的折射率从2.09降低到1.90，这就说明在不改变光谱性能的基础上，通过Y2O3的加入可以在一定的范围内得到所需的任意折射率，而不仅仅是HfO2一种材料的折射率，这对实现材料的折射率匹配的要求是十分有益的，会对生产带来极大的方便。通过不断优化制备工艺，用Y2O3的含量为13mol%的镀膜材料制得的薄膜样品平均缺陷密度为为9.8/mm2。Y2O3含量为13%的YSH薄膜，经检测损伤阈值可达到27.6J/cm2，达到了激光薄膜的使用要求。以上研究成果对于实现低缺陷密度，高损伤阈值的抗激光薄膜具有重要的现实意义。