光学薄膜在中红外激光器、红外激光探测等系统中发挥着重要作用,它一方面是保证系统实现设计指标的基础组成部分,同时也是决定系统整体性能、使用寿命和环境稳定性的关键因素。随着中红外激光武器技术的进步,机载激光器和单兵作战武器逐渐向小型化、集成化方向发展,激光系统输出的功率密度、能量密度不断提高,因此需要光学薄膜对激光功率密度、能量密度有更高的承受能力。无论是OPO激光系统还是红外光谱探测系统,都对薄膜的光学性能提出了更为复杂的要求,如系统中常用的激光腔镜、分束镜、增透膜等薄膜元件多需要满足多波段光谱的透反要求,这给薄膜的设计和制备都带了较大难度。尤其红外薄膜多采用牢固性、稳定性较差的软膜材料制备,且厚度远高于同类型可见光波段薄膜,这不仅对薄膜本身的性能稳定性提出了挑战,更为提高薄膜的激光损伤阈值带了更大难题,故而研究中红外激光薄膜的设计和制备工艺具有重要意义。本文重点对中红外薄膜的破坏机理,红外材料性能,激光腔镜和分束镜的设计制备,以及薄膜损伤阈值测试开展了研究工作,主要涉及以下几个方面的内容:1.中红外薄膜热场计算。鉴于红外波段材料吸收是引起薄膜损伤的首要原因,建立和发展了薄膜的热场计算模型。将应用于光子晶体领域的高斯频谱展开法引入热场计算,可分析激光入射角度、偏振态、激光尺寸对不同膜系热场分布的影响,同先前的平面波模型相比,该方法更为接近实际激光入射的情况,也便于深入分析薄膜的热力耦合损伤机理。2.分析了红外薄膜内节瘤缺陷的电磁场增强效应。膜层内缺陷被认为是导致薄膜损伤最主要的因素,针对中红外薄膜内的节瘤缺陷建立了时域有限差分模型,重点研究了节瘤的深度、种子尺寸、激光入射角度、偏振态对场增强的影响。结合SEM试验观察,总结出限制膜层损伤阈值的缺陷特征:对于中心波长为3.8μm的高反膜,种子直径大于3μm的较浅节瘤对激光最为敏感,同时,相对于s偏振态,p偏振态激光能够形成更高的场强峰值。3.对红外薄膜材料特性与工艺关系开展了研究。针对YbF₃,ZnSe和ZnS三种材料的工艺参数、光学性能、缺陷密度进行了分析,重点研究了沉积温度对YbF₃水吸收带和ZnSe截止吸收带的影响,为下面章节多层薄膜的制备摸索最优工艺参数。4.薄膜应力研究。分析了YbF₃和ZnSe薄膜应力行为的特点,重点关注工艺参数对应力的影响,选择适当的工艺条件保证高低折射率层应力匹配。搭建了一套应力分析系统,该系统通过测量薄膜应力与外界温度的关系分析应力的组成,应力同工艺参数、基板种类的关系。5.中红外多层薄膜的设计和制备。分别设计了应用于OPO激光系统中的输入镜和输出镜,晶体增透膜,以及三光合一系统中的分束镜。对薄膜设计中遇到的问题和解决方案进行了详细描述,给出了薄膜的透、反射率测量曲线,并对薄膜元件进行了环境试验,分析薄膜破裂同膜系设计之间的关系,最终保证薄膜元件光学特性、环境稳定性均符合系统需要。6.薄膜激光损伤阈值测量。搭建了一套中红外薄膜激光损伤阈值测试系统,详细描述了系统的构成和工作原理,并在测试之前对系统的各项参数进行了测量和标定,包括激光稳定性、靶面处激光半径、激光能量调节标定等。采用该系统对薄膜的损伤阈值进行了测量。