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%。     

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。     

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。     

高功率脉冲电子束辐照SiO_2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1μm,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.     

CO2激光扫描辐照修复熔石英表面损伤

采用振镜系统结合10.6 m的CO2激光,对熔石英表面损伤点进行辐照,成功地修复了直径500 m的大尺寸损伤点,损伤修复后表面无烧蚀残留,损伤内部完全愈合,无气泡和残余裂纹。和定点修复方式相比,这种修复具有修复尺度大、面形影响区域小、应力分布范围小的优势。80%扫描辐照修复的损伤点的初始损伤阈值恢复甚至超过了基底的初始损伤阈值。     

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     

熔石英亚表面划痕激光诱导损伤阈值实验研究

 用原子力显微镜和光学显微镜观测酸蚀后熔石英亚表面划痕，并根据形貌特征将其分为Boussinesq-point-force crack(BPFC)、Hertzian-conical scratch(HCS)和Plastic indent(PI)三类，测试了各类划痕的损伤阈值，讨论了激光损伤机制。结果表明锐度较大的BPFC损伤阈值不超过2.0 J/cm<>2；深度小于1 μm的 HCS阈值可达2.6 J/cm²；形变较大的PI阈值至2.8 J/cm2，形变较小的PI的激光损伤阈值与无缺陷材料相当。BPFC 和深度超过1 μm的HCS是导致熔石英损伤阈值低的主要因素。     

高功率激光装置熔石英紫外损伤增长研究

基于大口径高功率激光装置开展了熔石英紫外损伤增长的实验研究.研究结果表明:在5 ns平顶脉冲的紫外激光辐照下,熔石英后表面损伤点尺寸随激光发次主要服从指数增长规律,且损伤增长速率随激光通量的增加而上升;但是,在相同的激光通量下损伤增长速率并非一个恒定值,而是存在一定的分布范围,说明除激光通量外还存在其他的影响因素.进一步的统计分析表明,在相同的激光通量下,小尺寸损伤点的平均增长速率高于大尺寸损伤点,表明损伤增长速率不仅与激光通量有关,还与损伤点尺寸有关.由于损伤增长主要源于损伤坑轴向和纵向裂纹在力学作用下发生扩展,因此小尺寸损伤点增长速率高于大尺寸损伤点增长速率说明小尺寸损伤点更易将激光能量耦合为弹性应变能.研究结果对熔石英使用寿命的精确预测和损伤机理的深入认识具有重要意义.     

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。     

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。     

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。     

激光诱导熔石英表面损伤修复中的气泡形成和控制研究

基于熔石英材料在CO_2激光作用下的温度分布和结构参数变化的计算结果,对熔石英损伤修复中的气泡形成和控制进行了研究.针对损伤尺寸介于150—250μm之间的损伤点,提出了一种能够有效控制气泡形成的长时间低温预热修复方法.基于低温下熔石英材料结构弛豫时间常数较长的特点,该方法在不引起熔石英材料结构发生显著变化的同时,能够解吸附表面和裂纹处所附着的气体和杂质,可有效降低裂纹闭合过程中气泡形成的概率.实验结果表明,长时间低温预热修复方法的成功修复概率可达到98%.     

Surface defects,stress evolution,and laser damage enhancement mechanism of fused silica under oxygen-enriched condition

Oxygen ions (O⁺) were implanted into fused silica at a fixed fluence of 1×10¹⁷ ions/cm² with different ion energies ranging from 10 keV to 60 keV. The surface roughness, optical properties, mechanical properties and laser damage performance of fused silica were investigated to understand the effect of oxygen ion implantation on laser damage resistance of fused silica. The ion implantation accompanied with sputtering effect can passivate the sub-/surface defects to reduce the surface roughness and improve the surface quality slightly. The implanted oxygen ions can combine with the structural defects (ODCs and E' centers) to reduce the defect densities and compensate the loss of oxygen in fused silica surface under laser irradiation. Furthermore, oxygen ion implantation can reduce the Si-O-Si bond angle and densify the surface structure, thus introducing compressive stress in the surface to strengthen the surface of fused silica. Therefore, the laser induced damage threshold of fused silica increases and the damage growth coefficient decreases when ion energy up to 30 keV. However, at higher ion energy, the sputtering effect is weakened and implantation becomes dominant, which leads to the surface roughness increase slightly. In addition, excessive energy aggravates the breaking of Si-O bonds. At the same time, the density of structural defects increases and the compressive stress decreases. These will degrade the laser laser-damage resistance of fused silica. The results indicate that oxygen ion implantation with appropriate ion energy is helpful to improve the damage resistance capability of fused silica components.     

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。     

Numerical simulation of the modulation to incident laser by the repaired damage site in a fused silica subsurface

One of the main factors of laser induced damage is the modulation to incident laser which is caused by the defect in the subsurface of the fused silica.In this work,the repaired damage site irradiated by CO 2 laser is simplified to a Gaussian rotation according to the corresponding experimental results.Then,the three-dimensional finite-difference time-domain method is employed to simulate the electric field intensity distribution in the vicinity of this kind of defect in fused silica front subsurface.The simulated results show that the modulation is notable,the E max is about 2.6 times the irradiated electric field intensity in the fused silica with the damage site (the width is 1.5 μm and depth is 2.3 μm) though the damage site is repaired by CO 2 laser.The phenomenon and the theoretical result of the annular laser enhancement existed on the rear surface are first verified effectively,which agrees well with the corresponding experimental results.The relations between the maximal electric field intensity in fused silica with defect depth and width are given respectively.Meanwhile,the corresponding physical mechanism is analysed theoretically in detail.     

光学窗口材料激光辐照热-力效应的解析计算研究

建立了高功率连续激光辐照透明光学材料的热力学模型,通过积分变换方法求解三维热传导方程,得出了激光辐照引起的瞬态温度场分布的精确解析解,并在此基础上进一步求得热应力场的瞬态分布。以1.315μm的高能氧碘激光辐照熔石英玻璃为例,计算了熔石英在激光辐照下的温度场与热应力场分布,分析了其激光损伤机理。研究结果表明由于熔石英具有优良的热稳定性,温度不均匀分布所产生的热应力相对较小,激光损伤主要是受辐照区域温度值超过材料熔点发生熔融破坏。理论分析结果与相关的实验结论一致,说明所建立激光辐照效应模型的合理性。