一种激光损伤阈值测试新方法

随着激光器朝向大功率、高能量的方向发展,激光损伤阈值成为了衡量光学元件抗激光损伤能力的重要参数之一,因此,能否准确地测量出光学元件的激光损伤阈值成为研究的重点。而光学元件激光损伤阈值测试的关键是能否准确地判别光学元件是否发生激光损伤。为解决目前常见的损伤判别方法存在的精度低、识别时间长、适用材料范围窄、操作复杂等不足,提出了一种新的激光损伤的判别方法,即等离子体诊断法。以K9玻璃为例,搭建激光损伤阈值的测试平台,利用光纤光谱仪采集强激光辐照K9玻璃时所产生的激光等离子体闪光光谱,并对该光谱进行诊断分析,将该光谱中是否含有待测试光学元件材料中特征元素的光谱峰作为其是否收到激光损伤的标准。同时,对K9玻璃进行了激光损伤阈值的测试,并将测试结果与等离子体闪光法和显微镜法所测的激光损伤阈值进行了对比分析。实验表明,提出的等离子体诊断方法的判别精度高、速度快、测试装置结构简单,易实现在线测量,可以大大地提高光学元件激光损伤阈值测试工作的效率。     

氧化物薄膜抗1064nm脉冲激光损伤的特性研究

对向种氧化物介质膜料的单层膜、增透膜及高反膜的激光损伤特性进行了实验研究,分别测试了单脉冲和多脉冲１０６４ｎｍ激光的损伤阈值,分析和讨论了实验的物理现象及其结果。研究表明ＳｉＯ２、Ｇｄ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３具有激光损伤阈值高、损伤程度轻的特点,特别对１０Ｈｚ激光而言,更是明显;增透膜及高反膜加λ／２层ＳｉＯ２对其激光损伤程度和损伤几率。     

利用1064nm激光预处理提高pickoff镜损伤阈值

激光预处理是提高光学元件损伤阈值的有效方法之一。利用输出1064 nm基频激光的SAGA激光器,采用光栅刻线式扫描的方式对镀多层高反物理膜的pickoff镜进行了能量周期递增的预处理,验证激光预处理对其损伤阈值的提高效果。结果表明:零几率损伤阈值平均提高38.8%,而50%几率损伤阈值提高了7.6%,经过激光预处理后pickoff镜抗损伤能力较处理前有了一定提高。     

利用1 064 nm激光预处理提高pickoff镜损伤阈值

 激光预处理是提高光学元件损伤阈值的有效方法之一。利用输出1 064 nm基频激光的SAGA激光器，采用光栅刻线式扫描的方式对镀多层高反物理膜的pickoff镜进行了能量周期递增的预处理，验证激光预处理对其损伤阈值的提高效果。结果表明：零几率损伤阈值平均提高38.8%，而50%几率损伤阈值提高了7.6%，经过激光预处理后pickoff镜抗损伤能力较处理前有了一定提高。     

脉冲压缩光栅的激光损伤机理及阈值提升技术研究进展

总结了激光辐射条件下脉冲压缩光栅的激光诱导损伤机理,探究了表面形貌、加工方式、结构缺陷以及表面污染等因素对光栅损伤造成的影响,从微观损伤机理的角度阐释了产生损伤的内在原因。在脉冲压缩光栅的激光预处理、加工工艺及表面污染物的去除等方面,分析了实现光栅损伤阈值提升的内在因素,给出了提升光栅损伤阈值的技术措施。根据影响光栅损伤阈值的因素,提出在光栅运行过程中采用多种措施组合的方式来提升光栅的激光诱导损伤阈值。脉冲压缩光栅激光损伤机理和阈值的研究对脉冲压缩光栅系统的稳定运行具有实践意义,为激光装置高能量密度的输出奠定基础。最后,提出了光栅激光诱导损伤研究的科学与技术问题,为脉冲压缩光栅激光诱导损伤阈值的提升提供新的思路,服务于重大科学装置和重要技术领域的发展。     

高重频CO_2激光损伤HgCdTe晶体的数值分析

针对CO2激光作用下HgCdTe晶体的损伤问题进行了数值分析。首先,建立了高重频CO2激光损伤Hg0.784Cd0.216Te晶体的三维热传导物理模型;然后,利用有限元方法计算了单脉冲和高重频CO2激光作用下,Hg0.784Cd0.216Te晶体的损伤阈值;最后,分析了激光重频以及辐照时间对晶体损伤阈值的影响。研究结果表明:单脉冲激光辐照下,晶体的损伤阈值为64.5 J/cm2;高重频(f>1 kHz)激光辐照下,激光重频的改变对晶体损伤阈值的影响较小,损伤阈值应由平均功率密度表征,且与辐照时间密切相关;辐照时间的增加,可以有效地减小晶体的损伤阈值,当激光辐照功率密度<1.95 kW/cm2时,不会发生晶体损伤。研究结果对高重频CO2激光在激光加工以及激光防护的应用方面具有指导意义。     

生长条件对KDP 晶体激光损伤阈值的影响

 研究了各种生长条件对晶体激光损伤阈值的影响, 发现提纯原料用的EDTA对晶体的光损伤阈值没有显著的影响, 溶液陈化能够降低晶体的散射强度,从而使光损伤阈值提高。多磷酸盐阻碍晶体锥面生长, 影响晶体的生长习性, 并降低晶体的激光损伤阈值。     

激光波长及脉宽对光学材料抗损伤性能的影响

 基于能带理论,利用激光与光学材料相互作用的理论模型,研究了激光辐照下材料导带自由电子数密度的变化,讨论了材料损伤阈值与激光波长、脉冲宽度、材料禁带宽度之间的关系,数值分析了激光波长和脉冲宽度对损伤阈值的影响。结果表明:当脉宽小于1 ps时,材料损伤阈值随脉宽增大而减小;当脉宽大于1 ps时,材料损伤阈值随脉宽增大而增大;激光波长为10 fs~10 ns,损伤阈值随着波长的减小而减小。     

高反射光学薄膜激光损伤研究进展

激光诱导损伤阈值是大功率光学系统中重要参数,其数值大小对激光系统的输出功率与稳定性具有重要影响。为了突破损伤阈值对激光光学系统输出功率的限制,科研人员主要从制备薄膜工艺、激光特性、薄膜特性以及薄膜后工艺等方面开展研究。本文介绍了高反膜理论、制备工艺;综述了近十年来国内外对高反膜损伤研究的成果;阐述了激光特性、薄膜特性以及薄膜后工艺对薄膜损伤阈值的影响。在此基础上,对提高高反膜损伤阈值的研究和发展趋势进行了分析与展望。     

光学元件激光预处理技术研究进展及其应用

光学元件中的杂质和缺陷会引起其激光损伤阈值的大幅降低,现阶段这一问题已成为激光装置向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”,亟待解决。在对光学元件激光损伤的研究中发现,用低于光学元件损伤阈值的激光对元件表面进行预处理,可以有效提高光学元件的抗激光损伤能力。对激光预处理技术的提出背景、定性作用机理、定量理论模型及国内外技术应用现状进行了概述。并且介绍了一种可在薄膜制备过程中进行原位实时激光预处理的新型薄膜制备技术。最后指出,激光预处理技术作为一种无污染,可有效改善光学薄膜、光学玻璃、光学晶体元件损伤阈值的最有效方法之一,其作用机理、实用化、仪器化还有待进一步发展。     

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。     

紫外准分子激光损伤典型光学材料的特性分析

根据已经建立的紫外准分子激光损伤典型光学材料的理论模型,研究了准分子激光对透明光学材料（石英玻璃）和非透明光学材料（K9玻璃）的损伤特性,并结合实验结果证实了理论模型的有效性。研究表明：在准分子激光对非透明光学材料辐照下,激光光斑半径越大,产生的热应力和温度越小;脉宽越小,产生的热应力越大;随着脉冲数的增加,温度和热应力都逐渐增大。值得注意的是,当重频增加至45 Hz以上时,熔融损伤阈值开始低于应力损伤阈值,这说明当重频增加到一定程度时,非透明光学材料将首先产生熔融损伤,而不再是应力损伤。在准分子激光对透明光学材料辐照下,杂质微粒的半径和掩埋深度对光学材料温度场分布有着重要影响。但当杂质半径和掩埋深度超过一定的数值时,杂质粒子的存在与表面温度并无联系。理论模型能够较好地解释石英玻璃前/后表面相同的初始损伤形貌特征。     

光在随机增益介质中的放大

 结合环形腔理论，运用蒙特卡罗法模拟了光子在介质中的随机行走。研究了倍频Nd:YAG（脉宽6 ns，频率20 Hz）脉冲激光器作为泵浦光，在TiO₂ / 若丹明 B有机增益介质中，散射微粒的颗粒密度和泵浦光面积对随机激光器阈值强度的影响。模拟结果表明：随机激光阈值和光子在增益介质中的随机行走路程长度和光子通过边界返回增益区和非增益区的几率有关。随着泵浦光面积的增加，随机激光器阈值降低；增益介质中散射颗粒密度的增加降低了随机激光器的阈值。     

脉冲CO2激光辐照K9玻璃的热力效应分析

利用有限元法对脉冲CO2激光辐照K9玻璃样品中的温度和应力分布进行了数值分析。对半径为20mm、厚为2mm的圆盘样品的计算结果表明，K9玻璃的损伤由环向应力控制，体损伤先于面损伤产生，且光斑半径和脉冲数目对损伤闽值有较大的影响，在激光光斑半径为5mm，脉宽为10肛s的条件下K9玻璃的单脉冲CO2激光的损伤闽值为0．5J，相应的能量密度为0．637 J／cm^2。损伤闽值随光斑半径的增大而增大，随脉冲数目的增加而变小。讨论了样品半径和厚度对损伤结果的影响，结果表明样品半径在10-20mm范围内所产生的拉伸应力较小。     

酸蚀与紫外激光预处理结合提高熔石英损伤阈值

采用HF酸刻蚀和紫外激光预处理相结合的方式提升熔石英元件的负载能力,用质量分数为1%的HF缓冲溶液对熔石英刻蚀1~100 min,综合透过率、粗糙度和损伤阈值测试结果,发现刻蚀时间为10min的熔石英抗损伤能力最佳。采用355 nm紫外激光对HF酸刻蚀10 min的熔石英进行预处理,结果表明:紫外预处理能量密度在熔石英零损伤阈值的60%以下时,激光损伤阈值单调递增;能量到达80%时,阈值反而低于原始样片的损伤阈值。适当地控制酸蚀时间和紫外激光预处理参数能有效提高熔石英的抗损伤能力。     

脉宽对中红外激光带内损伤HgCdTe材料的影响

研究了脉宽对于中红外脉冲激光带内损伤碲镉汞（HgCdTe）材料阈值的影响,使用一维自洽模型对激光辐照HgCdTe材料程中的载流子数密度,载流子对数目流,载流子对能流,载流子温度和材料晶格温度等相关参数进行仿真计算。仿真结果表明,波长2.85 μm,脉宽30 ps～10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值为200～500 mJ/cm2。其中,300 ps～3 ns脉冲激光的损伤阈值相近,均为200 mJ/cm2且低于其他脉宽激光的损伤阈值。搭建实验光路并进行相关实验验证仿真模型的正确性。实验发现,波长2.85 μm、脉宽300 ps的单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值在200 mJ/cm2左右。相同条件下,10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值约474 mJ/cm2。百皮秒脉冲激光对HgCdTe材料的损伤过程结合了热击穿和光学击穿效应,其独特的毁伤机理加剧了材料的损伤。     

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。     

激光二极管抽运（Tm，Ho）：YLF微片激光器的实验研究

从理论上分析了准三能级(Tm，Ho)：YLF晶体的增益与温度关系，晶体温度的降低和长度的缩短有利于减小重吸收损耗对激光器运行性能的影响。在室温条件下，用2．7w波长为792nm激光二极管端面抽运Tm(原子数分数0．06)，Ho(原子数分数0．004．)：YLF微片激光器，阈值抽运功率为450W，当入射到晶体内的激光二极管功率为1．88W时，2μm激光最大输出功率为328mW，斜率效率为22．5％，光—光转换效率达17．4％。为达到激光最佳运行条件，还探讨了激光二极管波长，抽运光偏振方向以及晶体温度对Tm，Ho激光器性能的影响。     

红外光电探测器的激光损伤分析

分析了国内外有关红外光电探测器激光损伤阈值的大量测量数据。讨论了激光损伤探测器的机理以及目前尚未解决的问题。比较了高重复频率脉冲激光和连续波激光对探测器的损伤效果。分析表明 ,在相同平均功率的条件下 ,高重复频率脉冲激光与连续波激光相比 ,探测器损伤效果前者要比后者大得多     

用308nm准分子激光对几种卷烟用纸打标的研究

激光打标由于具有快速、精度高及非接触等优点，是激光在工业领域的又一应用。准分子激光是一种大功率高重复率的紫外激光器，与ＣＯ２、ＹＡＧ等红外激光相比，一般具有打标效率高、热效应小、图案更精密等优点。近年来国内外均对准分子激光打标进行了一些研究，主要集中在对金属、高分子聚合物及陶瓷等硬脆材料的打标的研究。本文研究了用３０８ｎｍ准分子激光对几种卷烟用纸打标。用适当能量密度的３０８ｎｍ准分子激光对印有数种颜色的烟盒纸、过滤嘴纸打标，获得了清晰可见的图案标记。分析了该打标过程的作用机理，通过实验得出了对几种不同的卷烟用纸打标的能量密度阈值条件及优化条件。