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。     

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。     

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%。     

熔石英表面热致应力对激光损伤行为影响的研究

为了研究热致应力对光学元件损伤特性的影响,通过实验测试退火处理消除热应力和未消热应力石英基片的激光损伤特性,研究了热致应力对石英元件初始损伤阈值、损伤增长阈值以及损伤增长规律的影响.结果表明,热致应力对熔石英光学元件的初始损伤阈值有影响,初始损伤阈值随着热致应力增大而降低;热致应力会加剧激光引发的损伤增长,相同的激光通量下,表面应力越大的区域拥有越高的损伤增长因子,但损伤增长仍遵从指数增长规律.热致应力对损伤增长阈值没有明显的影响.本文的研究将为CO2激光预处理工艺能否被应用于大口径光学元件提供一个必要的技术参考.     

K9和熔石英玻璃纳秒基频激光损伤特性的实验对比研究

利用光学元件基频激光损伤测试平台,通过实验测试相同条件下K9和熔石英两类常用 光学元件的初始损伤阈值、损伤增长阈值和损伤增长规律,对比研究了两类光学元件的基频激光损伤特性.结果表明,K9和熔石英光学元件的初始损伤阈值基本相同,损伤面积增长都遵循指数性增长规律,损伤深度成线性增长.但两者损伤增长特性仍有很大的差别,与熔石英相比,K9激光损伤增长阈值较低,并且相同通量下的激光损伤增长更为迅速,通过两类光学材料抗压性能的巨大差异很好地解释了这一现象.该研究结果对国内高功率激光装置的透射光学材料工程应用有非常重要的参考价值.     

CO_2激光光栅式扫描修复熔石英表面缺陷的实验研究与数值模拟

基于熔石英材料对波长为10.6μm的CO2激光具有强吸收作用这一特点,提出采用CO2激光光栅式多次扫描修复熔石英光学元件表面密集分布的划痕和抛光点等缺陷的方法.实验结果表明,在合理的扫描参数下,元件表面的划痕和抛光点等缺陷可被充分地消除.损伤阈值测试结果表明,表面划痕和抛光点等缺陷被完全消除的元件的损伤阈值可回复到或超过基底的损伤阈值.同时结合有限元软件Ansys的模拟结果分析了CO2激光扫描修复及消除元件表面划痕和抛光点等缺陷的过程.本文为消除元件表面划痕和抛光点等缺陷提供了非常有意义的参考.     

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。     

化学刻蚀过程中熔石英表面沉积物的形成及其对激光损伤的影响

化学刻蚀是提升熔石英光学元件抗激光损伤性能的重要后处理技术之一,但刻蚀后熔石英表面附着的沉积物对其表面质量、透射性能和抗激光损伤性能有很大影响。使用光学显微镜和原子力显微镜表征了化学刻蚀后附着于熔石英表面的沉积物的微观形貌,并分析了其形成机理;X射线能谱分析表明化学刻蚀后熔石英表面沉积物主要由Fe,Ni,Al等元素的金属盐组成。损伤阈值测试结果表明熔石英表面高密度沉积物区域的损伤阈值明显低于非沉积物区域,沉积物对熔石英光学元件的抗激光损伤性能产生严重影响,它们是诱导熔石英激光损伤的前驱体。     

超声波辅助酸蚀提高熔石英损伤阈值

为了提高熔石英元件表面抗激光损伤阈值,利用超声波辅助HF酸研究平滑光学元件表面缺陷形貌和去除刻蚀后残留物效果,通过扫描电子显微镜电镜和原子力显微镜记录表面形貌结构,以及单脉冲激光辐照测试抗损伤阈值确定实验参数。研究表明,超声波场的引入能催化HF酸的刻蚀速率、提高钝化效果并且更易剥离嵌入的亚μm级杂质粒子。经过实验测试,获得了熔石英类元件相匹配的超声辅助HF酸刻蚀实验参数,研究结果对应用超声波辅助HF酸研究熔石英表面抗激光损伤有重要意义。     

熔石英光学材料紫外皮秒激光损伤的瞬态特性研究

光学元件激光损伤是限制高功率激光装置输出能力的关键因素,为了理解光学元件激光损伤过程,提高光学元件抗激光损伤性能,利用偏振阴影显微镜成像技术和光电探测技术研究了紫外皮秒激光诱使熔石英光学元件损伤的时间分辨动力学过程。结果显示了紫外皮秒激光作用过程中冲击应力波的传输特性、瞬态吸收的演变过程以及裂缝的发展过程。结果表明,冲击应力波的传输速度约为6.9μm/ns;532nm波长的激光瞬态吸收在激光作用之后2.5μs时激光吸收达到最大值,之后缓慢下降,整个持续时间可达50μs以上;损伤裂纹在7.5ns时刻就基本停止增长。研究结果对理解皮秒激光的损伤机制有重要意义。     

纳秒激光诱导熔石英光学玻璃的损伤增长

利用Nd:YAG激光器研究了纳秒激光诱导熔石英光学玻璃的初始损伤及损伤增长,对比研究了损伤程度和损伤形貌随激光波长、能量密度、脉冲数及位置的变化规律,并对损伤机制进行了分析和讨论。研究结果表明:初始损伤受损伤先驱的物理化学性质和激光参数的影响,而损伤增长规律与初始损伤程度、激光参数和位置有关;后表面的损伤随脉冲数的增加呈指数关系增长,前表面则呈线性关系;裂纹的产生及其在后续脉冲辐照下的发展是后表面损伤增长的主要原因,高温等离子体表面刻蚀是前表面损伤增长的主要原因     

Investigation of laser-induced depth damage and scattering of light in crystals and glasses

Laser-induced depth damage to sapphire crystals and to various glasses is investigated. The influence of self-focusing on the laser damage process is studied. The conditions under which self-focusing influences the damage are clarified. The influence of various impurities on the optical endurance of ruby laser crystals is determined. The damage mechanism is initiated by various types of absorbing inclusions and defects; a correlation is found between the light scattering and the damage threshold. A new criterion based on light scattering is introduced for the purity of transparent dielectrics.Translated from Trudy Ordena Lenina Fizicheskogo Instituta im. P. N. Lebedeva, Vol. 101, pp. 31–74, 1978.     

355 nm激光作用下熔石英损伤增长

 用355 nm脉冲激光分别辐照位于熔石英前后表面的损伤点,用Mias软件采集了损伤增长的图像并测量了每脉冲辐照后损伤点的面积。实验结果表明：位于熔石英样片后表面的损伤点面积随激光辐照脉冲数呈指数增长关系,而位于前表面的损伤点面积与激光辐照脉冲次数呈线性增长关系。     

双环斑激光束在克尔介质中的自聚焦和光斑分裂效应

实验上发现了双环斑激光束在克尔介质中的光斑分裂效应。理论上,通过数值求解非线性薛定谔方程,发现当输入光斑功率超过100 kW/cm2时,产生光斑分裂和自聚焦效应,该阈值明显小于单环斑激光的自聚焦和光斑分裂阈值。我们认为是双环之间的耦合效应导致了这种结果,并给出了具体分析。     

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     

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。     

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.     

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.