液晶光学器件功能薄膜的激光损伤机理研究

摘要

液晶光学器件在光束整形、激光偏振态和相位控制等激光束精密控制技术上具有重要的应用潜力，但其能否在强激光系统中应用，其中一个重要指标是其抗激光损伤能力。本论文研究了连续波及脉冲体制（脉宽为10 ns）近红外激光（波长为1064nm）对液晶光学器件功能膜层材料的损伤阈值和机理。建立了各膜层材料激光热损伤的物理模型，并进行了相关实验和数值模拟研究。
　　建立了激光辐照氧化铟锡(ITO)导电薄膜的温度场和热应力计算模型，计算结果表明:1064nm激光对ITO薄膜的损伤主要为热应力损伤;连续波激光辐照下，薄膜损伤始于薄膜与基底之间的界面处附近;脉冲激光辐照下，由于作用时间短，温升主要发生在光斑范围内的膜层，薄膜从表面开始损伤。实验研究了ITO的光电性能，测试了薄膜的吸收光谱曲线及方块电阻;利用泵浦-探测技术研究了其激光损伤现象，使用1-on-1法测定了氧化铟锡薄膜的50％损伤几率阈值;研究了不同功率密度激光辐照后薄膜方块电阻的变化。实验结果表明:薄膜越厚，方块电阻越小，激光损伤阈值越低;薄膜未完全损伤前，方块电阻随激光功率密度的增大而增大。
　　研究了激光与PI薄膜材料的耦合机制及近红外激光辐照对PI薄膜的损伤，其损伤机理主要是激光加热导致其热分解。实验结果表明PI薄膜对1064nm脉冲激光100％损伤几率阈值为25 J/cm2。建立了激光辐照PI薄膜的热计算模型，考虑了材料的分解放热。脉冲激光辐照PI薄膜（K9玻璃基底）的计算结果与实验结果相符合。计算了连续激光辐照50μm厚PI薄膜（无基底）的温度场，表明其对连续激光损伤阈值较高。
　　实验研究了液晶材料的激光损伤，其机理主要是激光加热导致其温度超过清亮点温度(65℃)时，液晶材料从各向异性变为各向同性，液晶器件功能暂时失效;温度超过300℃后，液晶材料发生气化、分解以至碳化导致液晶器件的永久失效。实验结果表明:1064nm、10ns激光脉冲作用时，液晶材料永久损伤的阈值为20J/cm2，略低于理论计算值，主要是因为计算中未考虑液晶盒中局部杂质、激光光强分布不均等因素的影响。
　　建立了含有K9玻璃、ITO导电膜、PI取向膜和液晶材料的整体液晶光学器件的激光热损伤计算模型，给出了激光辐照后各部分的温度分布。分析了激光辐照下各膜层对液晶光学器件的影响，ITO薄膜和PI薄膜对1064nm波长激光的吸收系数很大，导致激光沉积引起温升较大，是引起激光损伤的主要原因。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 液晶光学器件在光束精密控制中的应用

1．2 本论文研究的目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 激光与聚合物相互作用应用研究进展

1．3．2 激光与聚合物相互作用理论研究进展

1．3．3 激光与聚合物相互作用实验研究进展

1．3．4 激光与ITO相互作用研究进展

1．4 论文的主要工作

第2章 激光与ITO薄膜相互作用研究

2．1 ITO的电学性能

2．1．1 ITO薄膜的半导体特性

2．1．2 薄膜方块电阻定义及测量

2．1．3 ITO薄膜厚度对电阻率的影响

2．2 ITO的光学性能

2．2．1 ITO薄膜透射区范围

2．2．2 ITO薄膜的透射、反射和吸收光谱的测量

2．3 激光辐照ITO透明导电薄膜的实验研究

2．3．1 激光辐照对ITO薄膜方块电阻影响

2．3．2 激光辐照ITO薄膜的形貌分析

2．4 激光辐照ITO透明导电薄膜的理论计算

2．4．1 计算模型

2．4．2 计算结果分析

2．4．3 计算结果与实验结果比较

2．5 激光辐照对ITO薄膜的影响

2．6 小结

第3章 激光辐照聚酰亚胺薄膜的研究

3．1 聚酰亚胺简介

3．2 聚酰亚胺的热分析

3．3 激光与聚酰亚胺的耦合机制

3．4 激光辐照聚酰亚胺材料的实验研究

3．5 激光与聚酰亚胺材料相互作用理论计算

3．5．1 激光与聚酰亚胺材料相互作用理论计算

3．5．2 激光与玻璃基底聚酰亚胺薄膜相互作用理论计算

3．6 激光辐照对PI薄膜的影响

3．7 小结

第4章 激光与液晶光学器件相互作用研究

4．1 液晶材料的激光损伤实验研究

4．2 激光辐照液晶的理论计算

4．3 激光辐照液晶光学器件的理论计算

4．4 激光辐照下各膜层对液晶光学器件的影响

4．5 小结

第5章 总结与展望

5．1 本论文主要工作得出结论

5．2 论文研究工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文