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。     

激光辐照下薄膜镜面波纹损伤机理研究

 用透镜将脉冲激光束聚焦在铝膜镜面上，在部分样品的激光损伤边缘区，出现波纹状损伤形貌。大多数情况下，有多套波纹同时存在，在镜面形成花纹，或者其中有一两套波纹占优势。提出了脉冲激光辐照下光学元件损伤区边缘产生波纹的一种光干涉模型：认为样品表面本身存在微米级杂质颗粒或者表面缺陷点在激光辐照下首先产生鼓包变形，鼓包或杂质颗粒将激光反射（散射）在未发生变形的区域，与直接辐照在该区域的激光束产生干涉，使得变形区周围的光强呈周期性分布，当变形区进一步损伤后，则在损伤区周围留下了波纹状图案。模拟实验验证了这种设想。     

小尺度波纹对KDP光学元件透射比的影响

高精度KDP晶体是惯性约束核聚变光路系统中的重要元件,而已加工表面的小尺度波纹对光学元件的透射比有着重要影响。采用傅里叶模方法理论分析了表面小尺度波纹的幅值及周期对KDP光学元件透射比的影响。研究结果表明,当小尺度波纹幅值小于100 nm时,透射比随波纹幅值的增加基本呈线性增长,波纹幅值每提高10 nm.透射比可提高近0.5%;透射比随着小尺度波纹周期的增加围绕中心透射比上下浮动,透射比振幅基本保持不变.且中心透射比及透射比振幅均随着小尺度波纹幅值的增加而增大;小尺度波纹周期在10.5～12μm区间内时透射比明显很低,需采取措施避免小尺度波纹的周期出现在此区间。对KDP晶体进行了加工、表面形貌检测及透射比检测的实验,实验结果与理论计算结果基本吻合。     

熔石英亚表面修复形貌对光场的调制

基于标量衍射理论, 计算了熔石英亚表面高斯型修复形貌对于光场的调制，用Matlab对结果进行了仿真并与实验结果进行了比较。所得结果表明，二者有较好的一致性, 一定尺度的高斯面型修复形貌会对光场产生调制，且调制度随光场传输位置变化，通过适当选择后续光学元件位置，可降低光场调制造成光学元件损伤的风险。     

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。     

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。     

光学元件超声清洗工艺研究

系统开展了光学元件超声清洗工艺的实验研究。通过研究超声清洗剂、清洗温度等工艺参数的优化,找到了能够有效祛除元件表面无机污染物和有机污染物的较佳超声清洗工艺,且超声清洗没有对光学元件表面产生损伤,清洗后的光学元件接触角小于6,并不残留大于1 m的颗粒,超声清洗对光学元件表面污染物的祛除能力远胜于手工清洗。     

基于微米SDOCT的玻璃亚表面缺陷散射系数测量

用搭建的微米谱域光学相干层析(SDOCT)系统对玻璃亚表面缺陷进行了深度分辨率、非接触、非破坏性测量,并用建立的单次散射模型对得到的断层图像进行计算,得到玻璃亚表面缺陷的散射系数。实验结果表明,利用散射系数可以有效区分玻璃亚表面不同深度的损伤结构。玻璃亚表面散射系数的深度分辨率测量有利于对玻璃亚表面缺陷光学特性的分析,对于精密光学元件的加工和检测具有重要意义。     

降低表面波纹误差的加工轨迹优化方法

提出了一种降低光学元件表面波纹误差的加工方法。从中高频误差的产生过程出发,在常用的光栅型加工轨迹的步进方向上叠加一个随机扰动,通过破坏轨迹的规则性分布,有效抑制了特定频率的中频误差。利用信息熵原理,对生成的随机轨迹进行分析,得出其影响波纹误差抑制能力的关键因素——扰动幅值。在此基础上,对生成的随机扰动型轨迹进行平滑和改进,从而降低其对机床动态性能的要求,通过仿真模拟,验证了优化后的轨迹同样能够有效地降低光学元件表面波纹误差。     

基于声发射的光学元件损伤监测方法研究

光学元件损伤是限制激光通量水平提高的重要因素之一。为快速、准确地检测光学元件损伤是否产生,支撑光学元件循环修复策略的使用,研究并提出了基于声发射技术的光学元件损伤检测方法,通过研究光学元件损伤产生的声发射信号特征,判断光学元件是否发生损伤,使用一种基于二次相关和相关峰精确插值（FICP）的时延估计算法,通过仿真验证了该算法的可行性,结合时差定位原理建立了损伤位置求解方法,并通过实验进行了验证。研究结果表明:该方法能从监测信号中快速地获得损伤的位置估计,其平均定位误差为8.61 mm,计算时间为0.143 s/次,对大口径光学元件的损伤在线监测具有应用潜力。     

光学亚表面损伤的探测和后处理技术

光学元件的损伤问题已成为高功率固体激光装置研制的核心问题，而紫外的损伤尤为严重。光学元件的激光损伤与能吸收能量的多种缺陷有关，例如：表面污染、表面擦伤和材料本体的缺陷(气泡或所含杂质)等。研究工作拟从光学元件的亚表面损伤人手，探测不同的光学制造工艺造成的特征亚表面缺陷，研究这些缺陷对激光损伤研制的影响。建立亚表面缺陷化学后处理装置，减少或消除亚表面缺陷所引起激光损伤的程度，为光学元件制造工艺选型提供必要的依据。     

激光辐照硅、锗材料形成表面波纹实验

随着激光与材料相互作用破坏机理和效应研究的深入，通过大量的实验发现：当激光辐照某些材料表面的功率密度（或能量密度）在损伤阈值附近时，会形成自发的、周期性的、也是永久性的表面波纹。     

表面颗粒污染物诱导薄光学元件初始损伤的机理

基于光传输理论研究了前表面颗粒污染物诱导薄光学元件产生初始损伤的原因,提出了颗粒遮光效应和颗粒造成的光学元件局部热变形两者共同作用对光束进行扰动的损伤机理.研究结果表明:对于高功率激光光束,薄光学元件局部热变形对光束的扰动是产生较高光强调制的重要原因;随着激光脉冲发射次数的增加,局部热变形的表面形状、位相延迟幅度、热扩散长度不断变化,会在光学元件内不同厚度处和后表面xy方向上的不同位置处产生较高的光强调制,不仅容易引起后表面产生多个损伤点,也可能在光学元件内就产生损伤,并且在厚度方向上的损伤点是分散的.     

抛光表面的亚表层损伤检测方法研究

光学元件磨削加工引入的亚表面损伤威胁着光学元件的使用性能及寿命,成为现阶段高能激光发展的瓶颈问题,特别是抛光表面光学元件的亚表面损伤检测已成为光学元件制造行业的研究热点和难点.本文结合光学共聚焦成像、层析技术、显微光学、光学散射以及微弱信号处理等技术,给出了基于光学共焦层析显微成像的光学元件亚表面损伤检测方法.分析了不同针孔大小对测量准确度的影响,并首次给出了亚表面损伤的纵向截面分布图.与腐蚀法比较结果显示:针对自行加工的同一片K9玻璃,采用本文提出的方法测得的亚表面损伤深度45 μm左右;采用化学腐蚀处理技术,对光学元件逐层刻蚀,观察得到的亚表面损伤深度50~55 μm.两者基本一致,进一步验证了本文采用的方法可以实现对光学元件亚表面损伤的定量、非破坏检测.     

光学轮廓仪对光学元件表面空间波长回应的研究

在分析光学轮廓仪的空间分辨率和带限功率谱密度函数的基础上，用新测不同要品的大量数据研究了光学元件表面粗糙度测量与光学轮廓仪对表面空间波长的带限顺应关系，对由光学轮廓仪不同带宽限制内测量元件表面粗糙度不同回应所引起的不同偏差的解决办法提出了几点建议。     

多个布儒斯特窗大型光学元件的损伤在线检测

 针对高功率固体激光装置主放大器中以布儒斯特角放置的大型光学元件，设计了一套损伤在线检测系统。该系统利用望远系统倍率不变特性实现了多个光学元件在线等精度、等分辨率检测；采用景深理论，通过仔细调节孔径光阑的大小，以达到既能测量同一倾斜光学元件上的不同损伤点，又能减小相邻光学元件间损伤信息相互影响的目的。通过亮场成像纵向定位损伤位置，而利用暗场成像横向定位损伤的大小。实验证明了该方法的可行性和有效性。该检测方法适用于各种多个倾斜放置的光学元件的损伤在线检测。     

光学亚表面损伤的探测和后处理技术

光学元件被污染和亚表面存在的缺陷将使它的性质受损。即使是微小尺寸的缺陷（小于φ1μm）也会引起激光损伤。国外研究表明，光学元件在其制造过程中形成的亚表面缺陷是导致紫外损伤的主要根源之一。光学元件的损伤问题已成为高功率固体激光装置研制的核心问题，而紫外的损伤尤为严重。     

非球面复制成型技术的研究

光学非球面复制成型技术是一种通过面形转移的方法成型光学非球面的技术,即将高精度非球面光学元件(母模)的表面利用脱模膜和胶粘剂转移到球面光学元件(基体)的表面上,并保持原非球面光学元件的光学品质,使球面变成非球面。介绍了该技术的基本原理以及所进行的工艺实验(镀膜、脱模、胶合等),给出了母模和复制件的面形图,证明了该技术用于中小口径非球面光学元件的制造具有较高的精度。     

平面调制靶的表面起伏图形研制

表面起伏靶是惯性约束聚变（ＩＣＦ）分解实验中的重要实验用靶。本文报导了采用离子束刻蚀和激光干涉两种方法制备初始微扰振幅和波长分别在几微米和几十微米范围的正弦调制形状；摸索了相应的工艺条件和工艺过程；用台阶仪及光学显微轮廓仪测微加工后的形貌；探讨了调制波长的精确控制与干涉工艺之间的关系。     

ICF模拟靶和低温冷冻气体的表征

由于DT或DD固态层的折射率很低，而且，其厚度只有几微米到几十微米。这使得光通过DT或DD燃料层时产生的光学路径也只有几微米到几十微米，远小于ICF靶丸。因此，尽管长期以来使用传统的光学干涉仪测定透明ICF靶丸的壁厚，它们却很难用来精确测定DT或DD固态层的厚度。相反，全息照相技术允许直接测定燃料层的厚度，而极大地忽略ICF靶丸的壁厚。在现在的研究中，已经建立全息照相装置，并且已用来测量ICF模拟靶丸的壁厚和气体的厚度。