基于振镜扫描方式的光学元件表面损伤检测EI北大核心CSCD

振镜作为一种二维扫描器件,可以实现光学元件不同位置处表面情况在CCD相机上的成像,利用振镜扫描方式无需移动待检测光学元件和成像系统即可完成大口径光学元件表面损伤的扫描检测,提出了一种基于振镜扫描方式的大口径光学元件表面损伤检测方法。利用该方法对光学元件表面损伤点检测进行了验证实验,通过在元件表面设置基准点,利用振镜扫描步数及图像处理技术确定损伤点位置及尺寸,并与光学显微镜观察到的损伤情况进行对比,结果显示利用振镜扫描方法对元件表面损伤点位置及尺寸的检测结果与光学显微镜检测结果偏差较小。该检测系统分辨率可达到(2.08±0.015)μm/pixel,检测范围大于2.5cm,水平方向和竖直方向位置坐标检测准确度分别为3.76%和1.37%,损伤点尺寸检测准确度为6.19%,能够实现较大尺寸光学元件表面损伤点的高准确性检测。     

大口径氘化磷酸二氢钾晶体离线亚纳秒激光预处理技术

大口径氘化磷酸二氢钾(DKDP)晶体抗激光损伤性能偏低严重地制约着大型高功率激光装置输出水平.本研究利用离线亚纳秒激光预处理技术有效地提升了大口径DKDP晶体抗激光损伤性能.实际使用情况表明,采用离线亚纳秒激光预处理后,DKDP晶体在9 J/cm²激光通量辐照下的表面平均损伤密度得到大幅下降,由未处理前的5.02 pp/cm²(1pp表示1个百分点)降至0.55 pp/cm²,降幅为一个数量级.同时,激光预处理对晶体损伤尺寸具有一定的抑制作用,预处理后晶体损伤点尺寸分布曲线向尺寸减小的方向平移,尺寸分布峰值由预处理前的25μm降至预处理后的18—20μm.     

采用放大的自发辐射光源测试光学薄膜的损伤阈值

提出了一种精确评估光学薄膜损伤阈值的方法。放大的自发辐射(ASE)光源由于时间相干性和空间相干性较差,所以在近场区域光场强度分布均匀,聚焦后远场也没有被非均匀调制。采用ASE光束作为光学元件损伤阈值测试的辐照光源,可以提高辐照光源的均匀度,实现对光学薄膜损伤阈值的精确评估。ASE光源由神光II高功率激光装置的一级钕玻璃棒状放大器输出,脉宽经过光电开关调制后为9ns,能量输出在几毫焦耳到几十焦耳范围内可调节,光谱半峰全宽(FWHM)为1nm。根据标准ISO-11254,实验获得ASE测试TiO2高反膜的损伤阈值为15.1J/cm2,高于激光测试样品的损伤阈值7.4J/cm2(脉宽为9ns时),更准确地评估了样品的损伤阈值。     

光学元件波前畸变对驱动器光路设计的影响

高功率激光驱动器光路设计要考虑像传递、鬼像规避和杂散光管理等多项优化措施.基于衍射光学传播理论,从输出负载能力提升的角度研究大口径光学元件波前特性对驱动器光路设计参数优化的影响.研究表明,驱动器末级光路的排布间隔如果控制在6 m以上,将非常有助于提高激光驱动器的输出负载能力.一般情况下,波前峰谷值达到0.34λ的单块大口径光学元件能使高功率激光的近场光束质量最大下降约10%,达到1.36λ后最大下降约21%;波前分布特性不同的多片大口径光学元件的波前相消叠加有利于降低中频波前部分对装置负载能力的影响,但是,大口径光学元件的非线性效应会加重中频波前对装置输出负载能力的影响;在限定大口径元件损伤阈值20J/cm~2的前提下,光路排布紧凑的激光驱动器末级输入激光通量控制在16.8J/cm~2之下不易损伤光学元件.相对宽松的光路设计可以进一步提高末级输出激光的平均通量水平,非常有利于激光驱动器装置输出负载能力的提升.     

单发大口径光束下介质膜损伤阈值测试

针对传统的激光诱导损伤阈值测试中存在的耗时问题,提出了一种利用单发次、大口径光束的介质膜损伤阈值的快速测定方法。该方法以图像处理为基础,通过坐标变换和栅格压缩,建立了样品辐照区域内损伤分布与光斑强度分布之间的精确对应关系。基于对大口径光斑辐照区域内损伤信息的快速提取和统计方法,通过单次激光辐照,获取了待测区域的损伤阈值。根据此方法搭建了单发大口径光束损伤阈值测试平台,并对HfO2/SiO2高反射膜损伤阈值进行了单发次测定的验证。     

355 nm皮秒激光辐照下熔石英的损伤特性

利用光学元件激光损伤测试平台,测试了355 nm皮秒激光辐照下熔石英光学元件的初始损伤及损伤增长情况,并通过荧光检测分析了损伤区缺陷。研究结果表明:皮秒激光较高的峰值功率导致熔石英损伤阈值较低,前表面损伤阈值为3.98 J/cm2,后表面损伤阈值为2.91 J/cm2;前后表面损伤形貌存在较大差异,后表面比前表面损伤程度轻且伴随体内丝状损伤;随脉冲数的增加后表面损伤直径增长缓慢,损伤深度呈线性增长;皮秒激光的动态自聚焦和自散焦导致熔石英体内损伤存在细丝和炸裂点重复的现象;与纳秒激光损伤相比,损伤区缺陷发生明显改变。     

高功率激光装置大口径光学元件侧面清洗实验

针对高功率激光装置内部最易产生受激布里渊散射(SBS)效应的大口径取样光栅(BSG)元件,测试了经过化学刻蚀、紫外激光清洗作用处理后,大口径光学元件BSG侧面在355 nm激光辐照下的损伤阈值、损伤形态以及产生的石英颗粒气溶胶对环境污染程度的分析。结果表明:经过化学刻蚀,BSG侧面的损伤阈值提高78%,基本与通光面的损伤阈值相当,而经过紫外激光处理后的损伤阈值提升不高,仅为通光面损伤阈值的56%。侧面对比分析了相同激光能量辐照下样片侧面产生的气溶胶污染状况,结果表明紫外激光处理同样可以提高光学元件侧面产生污染物的阈值,且对光学元件性能没有影响。通过微观形貌和对通光口径影响分析表明,紫外激光清洗处理比化学刻蚀具有更好的安全性和适用性。     

高斯差分滤波多尺度损伤提取方法

提出了高斯差分滤波的多尺度损伤提取方法和流程,对大口径光学元件的损伤图像进行了处理,结果表明,该方法对微弱信号与强信号混杂有很好适应性,且能有效解决低信噪比光学元件损伤图像中的损伤提取难题,对于分辨率125 m、口径400 mm400 mm的光学元件损伤图像,该方法可以100％提取损伤图像中尺寸在50 m以上的所有损伤的种子,满足了大型激光装置安全运行的需要。     

中等口径光斑激光预处理

介绍了一种基于中等口径光斑的新型激光预处理技术。采用基频最大输出10 J的Nd:YAG调Q激光器,获得了直径5 mm、能量密度满足预处理需求的中等口径光斑。较之于小光斑处理方案,采用中等光斑进行扫描,可以显著压缩大口径光学元件的预处理总耗时。为了验证效果,搭建了实验平台,在陪镀片上开展了光斑扫描与损伤阈值测量实验,设计了合理的中等光斑预处理流程,并对阈值提升效果进行了验证。在此基础上,开展了正式元件的预处理实验,采用大行程二维电动位移台,对430 mm430 mm口径的金属铪蒸发工艺高反膜元件进行了夹持和扫描。实验结果表明,经处理后的高反薄膜元件初步达到了27 J/cm2的阈值水平,证明了该技术对薄膜抗损伤能力的提升效果。     

基于振镜扫描方式的光学元件表面损伤检测

振镜作为一种二维扫描器件,可以实现光学元件不同位置处表面情况在CCD相机上的成像,利用振镜扫描方式无需移动待检测光学元件和成像系统即可完成大口径光学元件表面损伤的扫描检测,提出了一种基于振镜扫描方式的大口径光学元件表面损伤检测方法。利用该方法对光学元件表面损伤点检测进行了验证实验,通过在元件表面设置基准点,利用振镜扫描步数及图像处理技术确定损伤点位置及尺寸,并与光学显微镜观察到的损伤情况进行对比,结果显示利用振镜扫描方法对元件表面损伤点位置及尺寸的检测结果与光学显微镜检测结果偏差较小。该检测系统分辨率可达到(2.08±0.015)μm/pixel,检测范围大于2.5cm,水平方向和竖直方向位置坐标检测准确度分别为3.76%和1.37%,损伤点尺寸检测准确度为6.19%,能够实现较大尺寸光学元件表面损伤点的高准确性检测。     

HfO2／SiO2高反射膜的缺陷及其激光损伤

用原子力、Normaski和扫描电子显微镜等分析仪器,对高损伤阈值薄膜常采用HfO2/SiO2薄膜进行了表面显微图象研究,分析了薄膜常见的表面缺陷,如节瘤,孔洞和划痕等。薄膜表面缺陷的激光损伤实验表明,不同缺陷的抗激光损伤能力不大相同。节瘤缺陷最低,约为15J/cm^2,薄膜的损伤阈值主要由其决定,孔洞的激光损伤能力与节瘤相比较高,约为节瘤的2－3倍。节瘤缺陷在低能量密度的激光损伤所形成的孔洞,与镀制过程中形成的孔洞形貌相似,激光再损伤能力也相似。低能量密度的激光把瘤缺陷变为孔洞缺陷是激光预处理提高薄膜损伤阈值的原因之一。     

HfO_2/SiO_2高反射膜的缺陷及其激光损伤

用原子力、Normaski和扫描电子显微镜等分析仪器 ,对高损伤阈值薄膜常采用的 Hf O2 /Si O2 薄膜进行了表面显微图象研究 ,分析了薄膜常见的表面缺陷 ,如节瘤 ,孔洞和划痕等。薄膜表面缺陷的激光损伤实验表明 ,不同缺陷的抗激光损伤能力大不相同 ,节瘤缺陷最低 ,约为 1 5 J/ cm2 ,薄膜的损伤阈值主要由其决定 ,孔洞的激光损伤能力与节瘤相比较高 ,约为节瘤的 2～ 3倍。节瘤缺陷在低能量密度的激光损伤所形成的孔洞 ,与镀制过程中形成的孔洞形貌相似 ,激光再损伤能力也相似。低能量密度的激光把节瘤缺陷变为孔洞缺陷是激光预处理提高薄膜损伤阈值的原因之一     

The effect of laser beam size on laser-induced damage performance

The influence of laser beam size on laser-induced damage performance, especially damage probability and the laser-induced damage threshold (LIDT), is investigated. It is found that damage probability is dependent on beam size when various damage precursors with different potential behaviors are involved. This causes the damage probability and the LIDT to be different between cases under a large-aperture beam and a small-aperture beam. Moreover, the fluence fluctuation of the large-aperture laser beam brings out hot spots, which move randomly across the beam from shot to shot. Thus this leads the most probable maximum fluence after many shots at any location on the optical component to be several times the average beam fluence. These two effects result in the difference in the damage performance of the optical component between the cases under a large-aperture and small-aperture laser.     

脉冲激光引起铜膜镜面的环形损伤波纹研究

 用波长1.06μm、半高宽10ns的脉冲Nd:YAG激光辐照铜膜镜面，在激光辐照区，用光学显微镜观察到有规律的环形波纹状损伤图案，波纹平均周期约几十μm。通过对光路系统分析，认为样品前的小孔光阑对激光产生了菲涅尔衍射，使得在样品表面光强分布变成周期性环状分布。在极短的相互作用时间内，热扩散很小，损伤图案依赖于光强分布。并依据实验参数，用柯林斯公式对样品表面的光强分布进行了计算，所得光强分布的周期与损伤波纹的周期基本一致。     

0.532-μm laser conditioning of HfO2/SiO2 third harmonic separator fabricated by electron-beam evaporation

The 0.532-μm laser conditioning of HfO2/SiO2 third harmonic separator fabricated by electron-beam evaporation (EBE) was studied.The laser induced damage threshold (LIDT) of the separator determined by 1-on-1 test is 9.1 J/cm2 and it is 15.2 J/cm2 after laser conditioning determined by raster scanning.Two kinds of damage morphologies,taper pits and flat bottom pits,are found on the sample surface and they show different damage behaviors.The damage onset of taper pits does not change obviously and the laser conditioning effect is contributed to the flat bottom pits,which limits the application of laser conditioning.     

离轴高功率双程放大系统中小信号增益系数与泵浦能密度关系研究

 描述了在多程放大装置上首先实现了高功率、大口径、方光束的双程离轴放大。对由8片N31玻璃片组成的放大器的增益特性做了测试。在充电电压为22kV、泵浦能密度为10.24J/cm³时,小信号增益系数为4.08%cm^-1。     

离轴高功率双程放大系统中小信号增益系数 与泵浦能 密度关系研究

描述了在多程放大装置上首先实现了高功率、大口径、方光束的双程离轴放大。对由 8片N31 玻璃片组成的放大器的增益特性做了测试。在充电电压为 2 2 k V、泵浦能密度为 1 0 .2 4 J/ cm3时 ,小信号增益系数为 4 .0 8% cm- 1 。     

Intense high-energy proton beams from Petawatt-laser irradiation of solids

An intense collimated beam of high-energy protons is emitted normal to the rear surface of thin solid targets irradiated at 1 PW power and peak intensity 3x10(20) W cm(-2). Up to 48 J ( 12%) of the laser energy is transferred to 2x10(13) protons of energy >10 MeV. The energy spectrum exhibits a sharp high-energy cutoff as high as 58 MeV on the axis of the beam which decreases in energy with increasing off axis angle. Proton induced nuclear processes have been observed and used to characterize the beam.     

The morphology of pulsed laser-induced damage on the surface of a copper film mirror

A copper film mirror was irradiated using a pulsed Nd:YAG laser (1.06 μm,10 ns) through an aperture. After laser irradiation, the damaged spot was analyzed using an optical microscope and periodic damage rings were found at the laser irradiation spot, the average spacing of these rings being about 40–50 μm. The damage ring could be observed in the periphery of the laser spot under lower laser energy densities. As the laser fluence increased, the periodic damage rings grew to cover the whole laser spot. Under higher laser energy density, the whole film was damaged and the rings disappeared. A Fresnel diffraction model is used to explain the appearance of these rings. The laser beam is diffracted by the aperture in the optic path, the laser intensity distribution at the copper film mirror becomes periodic rings and damage ripple pattern forms instantly with the laser ablation. The laser intensity distribution at the mirror surface is calculated using Collins formula, with which the period of the damage rings and other phenomena can be explained.