Laserschadensereignisse in der Optik verfolgen und verstehen - Teil 08

2.2 Theoretische Inversionserkennung von Vorläufereigenschaften durch Schadensmorphologie

Die typische Schadensmorphologie von mehrschichtigen dielektrischen Filmen mit Pikosekundenimpulsen im Grundfrequenzband ist hochdicht und kleinräumig. Um den Zerstörungsprozess zu verstehen, haben wir ein mehrschichtiges dielektrisches Filmsystem mit hoher Grundfrequenz und hoher Reflexion entworfen und ein 1064 nm   verwendet 30-ps-Laser zur Durchführung eines Zerstörungsexperiments. Abbildung 9 zeigt eine typische Schadensmorphologie. Durch Querschnittsanalyse der anfänglichen Schadensstelle wurde festgestellt, dass der Schaden an der Grenzfläche zwischen der zweiten Schicht (HfO ₂) und der dritten Schicht (SiO ₂) auftrat. Der Schadensprozess manifestiert sich als eine lokale thermische Explosion aus dem Vorläufer, um einen Hohlraum zu bilden, und die äußere Temperatur leitet, um ein thermisches Schmelzen zu verursachen, und dann wird die endgültige Schadensgrube im Mikrometerbereich durch nach oben gerichtete mechanische Spannung gebildet. Abbildung 9(c) zeigt die Randbedingungen für thermodynamisches Versagen. Die Position der Kante des Hohlraums kann als Temperaturgrenze der thermischen Explosion betrachtet werden, und die Temperatur des äußeren Kreises bis zur Schmelzkante ist der Schmelzpunkt. Auf diese Weise kann der dynamische Schädigungsprozess des Vorläufers in dem dielektrischen Mehrschichtfilm durch die thermodynamische Simulation des Schädigungsprozesses umgekehrt werden.

10 zeigt die Temperaturverteilung der Filmschicht bei verschiedenen Zeitschlitzen s unter der Bestrahlung   eines 30-ps-Einzelpulslasers. Es ist ersichtlich, dass in den ersten 10 ps der Impulsbestrahlung die Temperatur im Zentrum des Vorläufers fast 3000 K erreicht hat, aber zu diesem Zeitpunkt hat der thermische Explosionsprozess gerade erst begonnen und der Temperaturanstieg ist noch auf die Umgebung begrenzt des Vorläufers. Wenn der Impuls für  10–25 ps angelegt wird , steigt die Temperatur des Materials in der Nähe des Vorläufers schnell an und der Temperaturanstiegsbereich beginnt sich nach außen auszudehnen. In der letzten Stufe der Pulsaktion, das heißt 25–30 ps, ​​neigt der Temperaturanstieg in der Mitte dazu, sanft zu sein, etwas höher als 1 × 10 4   ^K, und zu diesem Zeitpunkt ist der Temperaturanstiegsbereich schnell dehnt sich nach außen aus, und der Durchmesser des Bereichs, in dem die Temperatur etwa 2800 K erreicht, dehnt sich auf etwa 400 nm aus, was mit der Größe des beschädigten Hohlraumbereichs übereinstimmt, wie in Abbildung 11(a) gezeigt. Der Durchmesser des Bereichs mit einer Temperatur, die etwa 1900 K erreicht, dehnt sich auf einen Durchmesser von etwa 550 nm aus, was mit dem Durchmesser des geschmolzenen Bereichs der Beschädigung zusammenfällt, wie in 11(b) gezeigt.

Um die Temperaturänderungen an verschiedenen Orten der Schadensstelle besser darzustellen, können die Temperaturänderungen über die Zeit in mehreren Schlüsselbereichen der Schadensstelle extrahiert werden, wie in Abbildung 12 gezeigt. Die Temperatur von Punkt A in der Nähe des Vorläufers steigt schnell unter die Einwirkung des Lasers, und die Temperatur steigt exponentiell mit der Zeit an und erreicht die kritische Temperatur von 2200 K, wenn der Puls für  7 ps eingestrahlt wird , sodass eine thermische Explosion in der frühen Phase des Pulses auftritt. Nachdem die thermische Explosion auftritt, dehnt sich der Absorptionsbereich des Materials schnell nach außen aus. Aus den Temperaturanstiegsänderungen an den Positionen B und C des Matrixmaterials ist ersichtlich, dass es nur wenige Pikosekunden   dauert , bis das Matrixmaterial von Raumtemperatur auf über   ansteigt 2000 K. Wenn die Impulsbestrahlung   endet, erstreckt sich die Absorptionsfläche genau auf die Fläche, die dem Punkt C entspricht, was der Grenze der thermischen Zerstörung in der Schadensstelle entspricht.

Durch die detaillierte Charakterisierung der Schadensmorphologie und die inversionsnumerische Simulation des thermodynamischen Prozesses können wir einige grundlegende Eigenschaften des nanoskaligen Vorläufers erhalten, aber seine Quelle und sein Bildungsmechanismus sind noch unklar. Die direkte Charakterisierung von nanoskaligen Vorläufern und die Untersuchung des Zerstörungsdynamikprozesses werden die Schlüsselerkenntnisse sein,   um den Engpass dieser Art der Laserzerstörung in Zukunft zu durchbrechen.