高功率脉冲电子束辐照SiO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;的光学和激光损伤性能

研究了不同剂量的60 kW高功率脉冲电子束辐照对高纯熔石英玻璃的微观结构、光学性能和激光损伤特性的影响规律. 光学显微图像表明, 辐照后熔石英样品由于热效应导致表面破裂, 裂纹密度和尺寸随辐照剂量增加而增大, 采用原子力显微镜分析表面裂纹的微观形貌, 裂纹宽度约1 um, 同时样品表面分布着大量尺寸约0.1–1μm的碎片颗粒. 吸收光谱测试表明, 所有样品均在394 nm处出现微弱的吸收峰, 吸收强度随着电子束辐照剂量增大呈现先增加后减小的趋势. 荧光光谱测试发现辐照前后样品均有3个荧光带, 分别位于460, 494和520 nm, 荧光强度随辐照剂量的变化趋势与吸收光谱一致. 利用355 nm激光研究了不同剂量电子束辐照对熔石英激光损伤阈值的影响, 结果表明熔石英的损伤阈值随着辐照剂量的增加而降低. 在剂量较低时, 导致熔石英激光损伤阈值下降的原因主要是色心缺陷; 剂量较高时, 导致损伤阈值降低的原因主要是样品表面产生的大量微裂纹和碎片颗粒对激光的调制和吸收. 关键词： 熔石英 电子束辐照 色心 激光损伤阈值     

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。     

表面Al膜污染物诱导熔石英表面损伤特性

在熔石英表面人工溅射一层Al膜污染物,分别测试污染前后熔石英基片在355 nm波长激光辐照下的损伤阈值,并采用透射式光热透镜技术、椭偏仪和光学显微镜研究了污染物Al膜的热吸收、厚度以及激光辐照前后熔石英的损伤形貌。用355 nm波长的脉冲激光分别辐照位于污染的熔石英和洁净的熔石英前后表面的损伤点,并用显微镜在线采集损伤增长图样,测试损伤点面积。实验表明:熔石英前表面的金属Al膜污染物导致基片损伤阈值的下降约30%,后表面的污染物导致基片下降约15%,位于熔石英样片后表面损伤点面积随激光辐照次数呈指数增长,而位于前表面的损伤点面积与激光脉冲辐照次数呈线性增长关系;带有污染的熔石英样片的增长因子比洁净的熔石英样片的增长因子高30%。     

熔石英表面铜颗粒污染激光诱导损伤

利用SAGA-S激光器输出的355 nm波长激光,研究了熔石英表面铜颗粒污染的激光损伤规律。采用磁控溅射的方式在洁净熔石英表面制备不同尺寸的颗粒状污染物,用1-on-1,10-on-1,20-on-1的方式测试经污染后的熔石英基底的损伤阈值,并采用光学显微镜观察损伤形貌、CCD在线测量损伤斑尺寸。结果表明:污染后的熔石英基底的损伤主要发生在后表面,而且以热烧蚀和热应力为主,基底的损伤阈值与熔石英前表面污染颗粒尺寸呈负指数关系,随后表面污染物颗粒尺寸的增大呈略微下降。前表面颗粒污染物诱导损伤斑尺寸为颗粒污染物尺寸的4倍,后表面颗粒污染物引起的损伤斑尺寸约为颗粒污染物尺寸的2倍。并绘出损伤斑尺寸与颗粒尺寸、辐照方式之间的关系。     

熔石英表面铜膜污染物诱导损伤实验研究

 在熔石英元件表面溅射一层厚度小于10 nm的金属铜膜污染物,并测试元件的透过率。测试355 nm熔石英元件的激光损伤阈值,并用光学显微镜观测损伤形态。实验结果表明：污染后的熔石英元件的损伤阈值降低20%左右,元件表面的金属污染物薄膜经强激光辐照,在熔石英表面形成很多坑状微损伤,分布不均的热应力导致表面起伏,并有明显的烧蚀现象,导致基底损伤阈值下降。建立的光吸收和热沉积传输模型初步解释污染物膜层导致熔石英元件损伤的机理。     

铜膜和铁膜污染物诱导熔石英表面损伤行为的对比研究

采用人工溅射的方式分别在熔石英基片上镀制了光学厚度相近的铜膜和铁膜污染物。研究了熔石英基底在355nm波长的激光损伤阈值。分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、膜层厚度、表面微观形貌以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：熔石英表面的金属膜状污染物均导致基片损伤阈值下降,位于前表面的污染物引起的损伤阈值下降更为严重,约为23％。两种污染物薄膜引起基底的损伤形貌、基底损伤阈值的下降幅度与薄膜的热吸收系数与微观结构有关。从热力学响应角度,结合损伤形貌对污染物诱导熔石英表面形貌的损伤机理进行了讨论。     

三倍频熔石英激光损伤的吸收前驱体

 在三倍频熔石英激光损伤研究中,吸收前驱体的存在是造成熔石英材料表面损伤阈值远低于体损伤阈值的主要原因。以吸收作为主线,建立吸收前驱体引起的熔石英表面损伤模型,并讨论吸收前驱体与熔石英表面损伤的联系。针对金属元素微粒残留理论模拟了激光辐照过程中微粒周围温度场的变化,结果表明在脉冲时间内微粒周围温度很快到达损伤判据所给出的临界温度,通过激光损伤实验,证实吸收性微粒含量与损伤密度有密切联系。针对亚表面裂纹,建立一维模型计算受激后裂纹表面附近自由电子密度分布。计算结果和实验结果均表明：金属元素微粒和亚表面裂纹是熔石英激光损伤中重要的吸收前驱体,金属元素微粒对激光能量的吸收致使周围材料温度在脉冲时间内达到损伤判据温度2 000 K;受激后裂纹表面的自由电子密度达到1021 cm-3的水平,可导致对后续激光的强烈吸收;两种吸收前驱体极大降低了熔石英材料的表面抗损伤性能。     

基于激光近场和图像分割技术的复合波长诱导熔石英损伤实验研究

在复合波长(波长分别为1053、527、351nm)情况下,利用激光近场对熔石英样品进行损伤实验。设计了一种基于激光近场辐照的损伤阈值定义方法,并利用带有灰度抑制的分水岭标记算法对损伤图像进行损伤区域提取,通过对比损伤图像与相应光束近场能量分布,计算出损伤区域与非损伤区域临界处的光能量密度,即为熔石英样品的损伤阈值。实验结果表明,复合波长激光诱导熔石英损伤是3种波长激光共同作用的结果,但351nm激光对损伤起主要作用,初始损伤阈值为8.22J/cm2;在复合波长激光多次辐照样品的情况下,熔石英样品后表面的损伤成指数形式增长,损伤增长系数为0.59。     

杂质诱导熔石英激光的损伤机理

发展了355 nm纳秒激光下亚波长杂质粒子引起熔石英损伤的基本模型。通过Mie散射理论和热传导方程,计算了粒子与熔石英边界处的温度随粒子尺寸的变化关系,并分析了达到临界温度时,不同粒子诱导损伤所需的关键能量密度,讨论了各粒子最易引起熔石英损伤的尺寸。实验采用355 nm纳秒激光脉冲作用熔石英及其HF刻蚀样品,测得两者的损伤概率。研究表明:粒子吸收激光能量,随着粒子半径的增加,其边缘温度先增大后减小,一定尺寸范围内的粒子才会引起熔石英的损伤;关键能量密度所对应的粒子半径为最易引起熔石英损伤的关键粒子半径;经刻蚀后,熔石英样品表面杂质数密度降低,损伤概率降低,损伤阈值提高。     

真空环境中紫外脉冲激光对熔石英抗损伤能力的影响

在10-3Pa的高真空环境下,利用355nm的紫外脉冲激光以低于石英基片零概率损伤阈值的能量密度对其进行重复多次的全口径扫描,目的是为了研究石英基片在接受不同剂量的紫外激光辐照后其抗损伤能力的变化和原因.通过辐照过程中损伤点的扩展程度以及辐照后的抗损伤测量表明,高真空环境下紫外脉冲激光辐照后的石英基片抗损伤能力明显降低,降低的幅度更多的与其接受激光辐照的次数有关,辐照能量密度的影响相对较小;通过荧光及X射线光电子能谱(XPS)检测发现,紫外脉冲激光辐照后石英基片表面氧缺位的增加是导致其抗损伤能力下降的主要原因,其程度也直接与接受辐照的紫外脉冲激光剂量相关.     

CO2激光局域辐照对熔石英损伤特性的影响

研究了CO₂激光局域辐照对熔石英损伤特性的影响, 发现当辐照中心温度较低时(1139 K), 辐照对损伤阈值没有明显影响, 但辐照中心温度较高时(1638 K), 辐照对损伤阈值有明显的影响, 损伤阈值随距离辐照中心间距的增大而减小, 在残余应力产生光程差最大处附近, 损伤阈值降到最小, 随着与辐照中心间距的进一步增加, 损伤阈值略有上升. 对导致此现象的原因做了分析. 由于残余应力的存在, 在辐照中心发生再损伤产生的裂纹后, 裂纹先沿径向扩展, 在残余应力产生光程差最大处附近, 裂纹转而向切向扩展, 这可能与径向和环向张应力随半径的变化有关. 在采用热处理炉退火消除残余应力时, 必须注意元件的洁净处理, 否则退火会出现析晶现象, 对损伤阈值和透射率造成不良影响. 关键词： 2激光局域辐照')" href="#">CO₂激光局域辐照 熔石英 损伤特性     

激光钝化对熔石英修复后损伤性能影响的实验研究

采用10.6 μupm 的 CO₂激光, 对单次激光脉冲辐照修复熔石英存在的烧蚀采用大光斑钝化去除. 经过辐照修复的区域置于前表面测试初始损伤阈值, 结果表明调制造成的损伤得到了一定程度的抑制; 辐照区域置于后表面修复后 熔石英的初始损伤阈值超过了基底的初始损伤阈值. 实验观察到了应力分布外扩, 同时明显减弱. 对损伤增长的测试说明, 经过激光熔融辐照后的损伤点, 当应力释放以后, 损伤扩展初期表现出指数增长趋势, 后期随着辐照次数的增加, 损伤增长不再明显, 并且趋于恒定值.     

激光钝化对熔石英修复后损伤性能影响的实验研究

采用10.6 μupm 的 CO₂激光, 对单次激光脉冲辐照修复熔石英存在的烧蚀采用大光斑钝化去除. 经过辐照修复的区域置于前表面测试初始损伤阈值, 结果表明调制造成的损伤得到了一定程度的抑制; 辐照区域置于后表面修复后 熔石英的初始损伤阈值超过了基底的初始损伤阈值. 实验观察到了应力分布外扩, 同时明显减弱. 对损伤增长的测试说明, 经过激光熔融辐照后的损伤点, 当应力释放以后, 损伤扩展初期表现出指数增长趋势, 后期随着辐照次数的增加, 损伤增长不再明显, 并且趋于恒定值.     

1064 nm和532 nm纳秒激光同时辐照熔石英损伤规律的研究

利用Nd: YAG激光器研究基频(1064 nm)与倍频(532 nm)单独辐照和同时辐照下熔石英的损伤规律,对损伤几率进行了测试,获得损伤几率曲线与典型损伤形貌。研究结果表明:双波长同时辐照下的初始损伤阈值总是小于单波长辐照下的初始损伤阈值;基频光中加入定量倍频光后,熔石英对基频光的吸收效率提高;并且双波长同时辐照下,熔石英损伤密度增大;原因主要是熔石英表面缺陷对不同波长吸收机制的差异。     

预处理对355nm激光作用下熔石英损伤增长的影响

测试了经化学蚀刻、紫外激光预处理及其共同处理后的熔石英355 nm激光损伤阈值;研究了处理前后其损伤斑面积随激光辐照脉冲数的增长情况。结果表明,处理后熔石英355 nm激光损伤阈值得到了提高,且损伤斑面积增长变慢。利用CO2激光对熔石英表面损伤点进行了修复处理,修复后的损伤点R-on-1抗损伤阈值和基底阈值相当,损伤增长得到有效抑制。     

用于355nm紫外激光器的消偏振二向色镜

采用离子束辅助电子束成膜,用双重膜厚监控方法监控各膜层厚度,制备了45°入射、808nm高反、1064nm高透的消偏振二向色镜,并用于全固态355nm激光器.将部分薄膜样品在250℃进行退火处理后,用Lambda950分光光度计测试该样品的光谱性能;用表面热透镜技术测量退火前后该样品的弱吸收值;用激光阈值损伤装置测试该样品在1064nm调Q激光下的损伤阈值;用NIKON显微镜观察样品在不同激光能量辐照下的破斑形貌.实验结果表明:波长为808nm和1 064nm时,薄膜透射率分别为0.04%和99.6%,符合设计要求,满足全固态355nm紫外激光器系统所要求的光学性能指标;退火后的弱吸收值较退火前有所降低;在激光作用下薄膜产生微破坏喷出,说明膜层不会向灾难性破坏演变.     

溶胶-凝胶ZrO2-TiO2高折射率光学膜层的抗激光损伤性能研究

采用溶胶-凝胶方法制备了ZrO2-TiO2(Ti含量为0-100 mol%)高折射率光学薄膜.借助激光动态光散射技术研究溶胶微结构.采用傅里叶变换红外光谱、原子力显微镜、薄膜光学常数分析仪、漫反射吸收光谱及强激光辐照实验,对膜层的结构、光学性能及抗激光损伤性能进行了系统表征.结果显示,溶胶-凝胶工艺可以在部分牺牲折射率的情况下,使膜层的抗激光损伤性能得到大幅度提升.随Ti含量从0mol%增加至100 mol%,膜层的平均损伤阈值呈下降趋势,当Ti含量从0mol%增加至60mol%时,平均损伤阈值从57.1 J/cm2下降到21.1 J/cm2(辐照激光波长为1053 nm,脉冲宽度为10 ns,"R/1"测试模式),当Ti含量从60mol%增加至100mol%时,平均损伤阈值变化很小.综合溶胶微结构、膜层光学性能和损伤实验结果可以推断,强激光诱导多光子吸收是引起膜层损伤的主要原因.不同配比的复合膜之间光学带隙的显著差异导致相同辐照激光情况下多光子吸收的概率发生变化,从而导致损伤阈值的规律性变化.     

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。     

图像处理在双波长激光诱导熔石英损伤增长中的应用

利用图像处理方法对比研究了单波长辐照和双波长激光同时辐照下熔石英光学元件的损伤增长阈值。通过实时采集损伤图像和靶面光斑能量空间分布,获取损伤增长发生位置对应的能量密度。针对3ω单独辐照、3ω和1ω同时辐照下熔石英元件损伤增长的实验数据,比较分析了基于图像处理方法和传统损伤增长阈值R-on-1测量方法(国标)所得结果的差异。结果表明:本文采用的图像处理方法在研究小口径非均匀光斑辐照下的熔石英光学元件损伤增长阈值时,能解决传统损伤阈值测试中将能量密度分布非均匀光斑等效为均匀分布的平顶光斑带来的计算误差问题,有助于降低损伤(增长)阈值测量中的光斑口径效应。     

熔石英表面加工引入金属微粒的三倍频激光损伤机制

 以材料表面金属元素吸收作为主线建立熔石英表面损伤模型,理论模拟了激光辐照过程中金属微粒周围温度场的变化,模型结果显示,在脉冲时间内微粒周围温度很快达到损伤判据给出的临界温度。通过激光损伤实验,对比刻蚀与未刻蚀样品之间的损伤密度,证实了金属微粒含量与损伤密度存在密切联系。计算结果和实验结果均表明：金属微粒是熔石英激光损伤中重要的吸收前驱体,极大降低了熔石英材料的表面抗损伤性能。