中性密度滤光片的损伤分析

中性密度滤光片是在K9光学玻璃基底上，镀不同光密度金属膜，使其在从可见光到近红外光区的宽波段内保持近似相等的能量透过率。来实现对激光的有效吸收．由于损伤阈值较低，严重限制了其在高能激光系统中的应用。

实验研究了较高激光能量密度下滤光片的损伤形貌和损伤机理．损伤形貌的变化特征是：随着激光能量密度的增加，滤光片先出现损伤点，后以损伤点为中心产生裂纹，且裂纹长度逐渐变长，最终连接成线状和块状，导致大面积的薄膜脱落．建立了缺陷吸收激光能量升温致中性密度滤光片表面薄膜损伤的模型，计算了薄膜表面的温度和应力分布，讨论了薄膜表面不均匀温升造成的径向、环向和轴向热应力分布。理论分析显示：环向应力是造成溥膜沿径向产生裂纹的主要原因，当激光能量密度大于约2.2 J/cm2，杂质粒子半径大于140 nm且相邻杂质粒子之间的距离小于10 pm时，裂纹才能大量连接起来引起薄膜的大面积脱落。 

滤光片可以衰减光强度，改变光谱成分或限定振动面，所以被广泛应用于光学实验中．但是滤光片在高能激光系统中是极易损伤的，研究它的损伤机理对于提高高能激光系统的性能有重要的意义。

滤光片是镀膜元件，它的损伤主要集中在膜层。国内外对于杂质诱导薄膜损伤的理论研究有很多，基于杂质吸收的热机械过程，薄膜的损伤概率与杂质密度、杂质尺寸、杂质填埋深度、激光功率密度、薄膜厚度都有一定的关系。以杂质粒子强吸收和热辐射模型为基础，结合热传导方程、热弹性方程等研究发现杂质粒子诱导薄膜损伤过程中薄膜出现了块状、环状和坑状损伤，损伤的大小与激光能量密度和杂质填满深度等有关。

以上的研究工作主要集中在激光作用于薄膜引起的薄膜层裂，而对薄膜表面的径向裂纹和径向裂纹连接起来引起的薄膜脱落，报道较少，因比对该问题的研究是很有必要的。 

本文对中性密度滤光片的损伤形貌及其演化过程进行了观测，分析强吸收杂质粒子对薄膜损伤的诱导作用，讨论了激光能量密度、杂质粒子的尺寸和分布密度对滤光片损伤的影响。