1 064 nm高反射薄膜激光损伤阈值测量方法

 参照国际上对激光损伤阈值不同测量技术建立起来的相应检测规范和标准,分别采用1-on-1,S-on-1,R-on-1和光栅扫描共4种测量方式,在1 064 nm波长下对HfO₂/SiO₂周期性高反射薄膜进行了激光损伤阈值的测量研究。根据测量结果,比较并分析了这4种测量方式之间的差异,重点研究了R-on-1和光栅扫描测量方式中存在的激光预处理效应对薄膜损伤阈值的影响,以及辐照激光光斑尺寸与损伤阈值之间的联系,并讨论了光栅扫描方式中预处理效应与扫描间距和扫描能量密度梯度的关系。研究表明：R-on-1方式下测得的损伤阈值最高,光栅扫描和1-on-1次之,S-on-1最小;1 000个脉冲激光辐照下的累积效应不显著,并且在激光光斑尺寸的差异较小时,阈值与光斑尺寸的对应关系并不明显;光斑尺寸相同时,扫描光斑的间距越小,激光预处理效果越好。     

用1064nm激光增强HfO2/SiO2薄膜的抗激光损伤能力的实验研究

 用1 064nm激光实验研究了HfO₂/SiO₂薄膜的激光损伤增强效应，实验以薄膜激光损伤阈值70%的激光能量开始，采用N-ON-1方式处理薄膜，激光脉冲的能量增量为5J/cm²。实验结果表明，激光处理薄膜表面能使激光损伤阈值平均提高到3倍左右，并且薄膜的损伤尺度也明显减小。对有缺陷的薄膜，其缺陷经低能量激光后熔和消除，其抗激光损伤能力得到增强，但增强得并不显著，而薄膜本身的激光预处理，可以使其激光损伤阈值大大提高。     

ZrO2薄膜的改性与抗激光损伤研究

 采用水热合成技术，制备了ZrO₂胶体，用旋涂法镀制了单层ZrO₂介质膜以及添加了有机粘合剂PVP的复合ZrO₂-PVP薄膜。采用X射线衍射(XRD)、椭偏仪、红外分光光度计（FTIR）、原子力显微镜（AFM）等仪器对干凝胶及薄膜进行了性能测试和表征，并用输出波长为1.064 μm、脉宽为10 ns的电光调Q激光系统产生的强激光测试其激光损伤阈值。测得ZrO₂和ZrO₂-PVP薄膜在300 ℃热处理60 min后的激光损伤阈值分别为24.5 J/cm²和37.8 J/cm²。研究表明：添加有机粘合剂后的复合薄膜具有平整的表面结构；有机粘合剂的添加有助于提高薄膜的折射率和激光损伤阈值，其中，ZrO₂-PVP 复合薄膜的折射率可高达1.75，激光损伤阈值达到37.8 J/cm²，比ZrO₂单层膜的激光损伤阈值提高50%。     

激光损伤阈值单脉冲激光测量方法

利用二元相位光栅的特点，设计一个具有特定相位分布的相位光栅，在单色波的照明下，使某些特定位置的菲涅耳像变成一个振幅光栅即光斑阵列。如果该光斑阵列的光强按照一定关系分布，将阵列光斑作用于实验样品上，能确定出各个光斑对应的损伤，就能从一次激光脉冲辐照中得出样品损伤阈值。激光光束为高斯光束，入射高斯光束通过二元相位光栅分解成类高斯分布的点阵并对样品进行辐照，研究衍射点阵中各点的一阶峰值能量密度分布和样品的损伤情况，可以单脉冲激光确定光学薄膜的损伤阈值。     

化学法制备的HfO2薄膜的激光损伤阈值研究

 采用化学法制备了HfO₂介质膜，研究了热处理、紫外辐照以及Al₂O₃复合对HfO₂介质膜激光损伤阈值的影响。采用红外光谱（FTIR）和X射线衍射仪对薄膜进行了表征，并用输出波长为1.064 μm、脉宽为10 ns的电光调Q激光系统测试薄膜的激光损伤阈值。实验结果表明：采用150 ℃左右的温度对薄膜进行热处理可以提高薄膜的激光损伤阈值，所获得的薄膜的激光损伤阈值高达42.32 J/cm²，比热处理前的激光损伤阈值提高了82%；无机材料Al₂O₃的适量添加能够提高薄膜的激光损伤阈值，其中HfO₂与Al₂O₃的最佳质量配比约为95∶5；另外，对薄膜进行适当的紫外辐照也可改善HfO₂ 薄膜以及HfO₂-Al₂O₃复合薄膜的抗激光损伤性能。紫外辐照对提高HfO₂-Al₂O₃复合薄膜的激光损伤阈值效果尤为显著，辐照40 min后的激光损伤阈值达到44.33 J/cm²，比紫外辐照前的激光损伤阈值提高了90%。     

光斑尺寸对光学薄膜元件温升的影响

 实验测量了波长1 064 nm， 10 kHz高重复频率激光辐照下在白宝石、石英玻璃、K9基片上制备的Ta₂O₅/SiO₂高反膜的温度变化，有限元分析的结果与实验结果相一致。用ANSYS程序计算了不同光斑直径、相同功率激光和相同功率密度激光辐照下薄膜元件温升的变化。结果表明：相同功率激光辐照光学薄膜元件时，光斑大小只影响激光辐照点的温升，对基板温升没有影响。基板温升只与激光功率有关，激光功率越大，基板温升越大。相同功率密度激光辐照光学薄膜元件时，光斑越大，激光辐照点温度及基板温度均越高。从激光损伤的热效应考虑，小光斑激光辐照时，光学薄膜的激光损伤阈值较高。     

物理法和化学法制备的单层ZrO2膜的激光损伤行为差异

 分别采用电子束热蒸发技术和溶胶-凝胶技术在K9基片上镀制了光学厚度相近的ZrO₂单层薄膜,测试了两类薄膜的激光损伤阈值。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、孔隙率、微观表面形貌、激光辐照前薄膜的杂质和缺陷状况以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：两类薄膜的不同损伤形貌与薄膜的热吸收与微观结构有关， 物理法制备的ZrO₂膜结构致密紧凑，膜层的杂质和缺陷多；化学法制备的ZrO₂膜结构疏松多孔，膜层纯净杂质少，激光损伤阈值达26.9 J/cm²；因物理法制备的ZrO₂膜拥有更大的热吸收(115.10×10^-6)和更小的孔隙率(0.20)，其激光损伤阈值较小(18.8 J/cm²)，损伤主要为溅射和应力破坏，而化学法制备的ZrO₂膜的损伤主要为剥层。理论上对实验结果进行了解释。     

1 064 nm与532 nm激光对电子束蒸发制备的HfO2/SiO2高反膜损伤比较

 研究了电子束蒸发制备的HfO₂/SiO₂高反膜在1 064 nm与532 nm激光辐照下的损伤行为。基频激光辐照时损伤形貌主要为节瘤缺陷喷溅留下的锥形坑,当能量密度较大时出现分层剥落;二倍频激光损伤主要是由电子缺陷引起的平底坑,辐照脉冲能量密度稍高时也会产生吸收性缺陷引起的锥形坑,但电子缺陷的损伤阈值更低;随着辐照脉冲能量密度的增大分层剥落逐渐成为主要的损伤形貌。分析认为,辐照激光波长的变化,引起吸收机制的变化从而导致了损伤阈值及损伤机制的差异。     

氧分压对ZrO2薄膜激光损伤阈值的影响

 在不同的氧分压下用电子束热蒸发的方法制备了ZrO₂薄膜。分别通过X射线衍射、光学光谱、热透镜技术、抗激光辐照等测试，对所制备样品的微结构、折射率、吸收率及激光损伤阈值进行了测量。实验结果表明，薄膜中晶粒主要是四方相为主的多晶结构，并且随着氧分压的增加，结晶度、折射率以及弱吸收均逐渐降低。薄膜的激光损伤阈值开始随着氧分压增加从18.5J/cm²逐渐增加，氧分压为9×10^-3Pa时达到最大，值为26.7 J/cm²，氧分压再增加时则又降低到17.5 J/cm²。由此可见，氧分压引起的薄膜微结构变化是ZrO₂薄膜激光损伤阈值变化的主要原因。     

杂质对溶胶-凝胶SiO2薄膜激光损伤的影响

 采用溶胶-凝胶法制备了含有吸收性杂质和非吸收性杂质的SiO₂增透膜,采用波长为1 064 nm的激光对其进行了小光斑激光预处理,对比研究了预处理前后的激光损伤差异,研究表明：激光预处理对于洁净的SiO₂薄膜影响不大;含10 μm SiO₂颗粒杂质的样品微透镜效应很明显,容易成为损伤起始的种子,激光预处理后情况有所改善;含有CeO₂颗粒杂质的样品表现出了很强的吸收性质,损伤阈值降低到不足洁净样品的一半。所有样品激光预处理后损伤形貌未发生变化,透光率峰值均有约50 nm的蓝移。     

畴腐蚀掺镁铌酸锂可调阵列光分束器的研究

研究了不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角可调阵列光分束器的分数Talbot效应.对不同Talbot分数β和不同畴腐蚀深度的阵列光分束器Talbot衍射像进行了数值模拟理论研究.模拟结果表明,Talbot分数β可以改变Talbot衍射像的周期及结构分布,而畴腐蚀深度可有效调制衍射像的光强分布.在理论研究的基础上,设计并制备了具有不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角阵列光分束器,对其在不同Talbot分数β条件下的分数Talbot效应进行了通光实验研究,实现了畴腐蚀阵列光分束器对近场Talbot衍射光强分布的调制,实验结果与理论研究结果一致.     

He-Ne散射光检测光学薄膜激光损伤阈值

准确测定光学薄膜的激光损伤阈值可以衡量光学薄膜的抗激光损伤能力,测定损伤阈值的关键是准确地判定损伤的发生与否。建立了He-Ne散射光检测光学薄膜激光损伤阈值系统。通过测量同一样品点的He-Ne散射光能量变化来判断薄膜表面发生的损伤,并对制备的类金刚石薄膜与HfO₂/SiO₂反射膜进行了阈值测试。与等离子体闪光法的阈值测试结果进行比较,具有较好的一致性。分析表明：He-Ne散射光测试系统能有效地判断出激光诱导损伤,易于实现在线检测。     

大气常压等离子射流清洗溶胶-凝胶SiO_2膜表面油脂污染物

采用大气常压等离子射流技术对溶胶-凝胶SiO2膜表面的油脂污染物进行清洗。利用分光光度计、扫描电子显微镜、红外光谱仪对溶胶-凝胶SiO2膜透过率、表面形貌、化学结构进行表征,并分析清洗前后溶胶-凝胶SiO2膜的激光损伤阈值变化。损伤阈值测试表明,1064nm波长的激光损伤阈值由污染后的16.08J/cm2上升到24.41J/cm2,与污染前24.72J/cm2的损伤阈值相当。同时还获取清洗的最佳时间为10s。清洗前后,溶胶-凝胶SiO2膜保持完好,且未产生新的有机污染物。研究结果表明:大气常压等离子射流技术可对溶胶-凝胶SiO2膜表面的油脂污染物进行有效地清洗,从而提高溶胶-凝胶SiO2膜的透过率和激光损伤阈值,为高功率激光装置的稳定运行提供保障。     

Quadric wavefront aberrations in phase-type images of binary amplitude gratings with small opening ratios

We discuss the quadric wavefront aberration of a fractional Talbot imaging ray which distorts the phase-type image of a binary amplitude grating with a small value of the opening ratio. When the opening ratio is equal to 1/2 or 1/3, the imaging rays are shown to have no quadric wavefront aberrations. For the opening ratios of 1/4 and 1/5, two different types of quadric wavefront aberrations are responsible for the three-level phase images. If the opening ratio gets to 1/6, we find that three different types of quadric wavefront aberrations distort the fractional Talbot image. The quadric wavefront aberration formulated here may be used in evaluating the phase-type image of a binary amplitude grating with an arbitrary value of the opening ratio.     

用激光诱导击穿光谱测量铝合金的激光烧蚀阈值

采用正交几何配置的双波长双脉冲激光烧蚀-激光诱导击穿光谱技术准确测量了铝合金样品的激光烧蚀阈值。在烧蚀激光波长为532 nm、脉宽为12 ns并采用焦距为2 cm的非球面透镜强聚焦的条件下,得到铝合金的激光能量烧蚀阈值为48 J,等效的能量密度烧蚀阈值为9.8 J/cm2。该技术是一种新的激光烧蚀阈值的光谱测量手段,与传统的测量技术相比,具有高灵敏、准确、快捷和便利的特点,可以用于不同材料的激光烧蚀阈值的准确测量。     

多脉冲激光作用下光学薄膜损伤的累积效应

研究了高反射膜在多脉冲激光作用下损伤的累积效应.实验中使用1064nm调Q的Nd∶YAG激光器，脉宽是12 ns，频率为10 Hz.实验发现:高反射膜的损伤阈值随辐照脉冲数增加而降低，表现出明显的累积效应.通过对损伤阈值和损伤概率以及辐照次数的统计性研究，并结合单脉冲辐照的结果，说明了存在于薄膜中微小的缺陷参与了多脉冲激光对薄膜的损伤过程,得到了制备IBS高反射膜的损伤阈值和照射次数的关系式，用Nomarski偏光显微镜观察了实验过程中样品的损伤形貌，发现是典型的缺陷损伤.     

Effect of native defects and laser-induced defects on multi-shot laser-induced damage in multilayer mirrors

The roles of laser-induced defects and native defects in multilayer mirrors under multi-shot irradiation condition are investigated. The HfO 2 /SiO 2 dielectric mirrors are deposited by electron beam evaporation(EBE) . Laser damage testing is carried out on both the 1-on-1 and S-on-1 regimes using 355-nm pulsed laser at a duration of 8 ns. It is found that the single-shot laser-induced damage threshold(LIDT) is much higher than the multi-shot LIDT. In the multi-shot mode,the main factor influencing LIDT is the accumulation of irreversible laser-induced defects and native defects. The surface morphologies of the samples are observed by optical microscopy. Moreover,the number of laser-induced defects affects the damage probability of the samples. A correlative model based on critical conduction band(CB) electron density(ED) is presented to simulate the multi-shot damage behavior.     

一般多值相位光栅菲涅耳衍射光场的分析

基于光栅结构与距离的关系,给出了一种求解一般多值相位光栅菲涅耳衍射光场的解析表达式利用该表达式可以直接分析一般多值相位光栅的分数泰伯数效应及在阵列照明中的应用,克服了间接分析法只能分析某些类型的泰伯阵列照明器的不足之处.     

基于Talbot效应的掺镁铌酸锂二维六角位相阵列光栅的研究

本文系统研究了基于泰伯效应(Talbot) 的位相可调掺镁铌酸锂二维六角位相阵列光栅及其光衍射成像, 对光栅占空比D、不同位相差Δφ、及泰伯分数β条件下的光栅近场光衍射强度分布进行了理论研究, 结果表明当光栅占空比D=52%、位相差Δφ=0.75 π、 泰伯分数β=0.2时, 光栅近场衍射光图像效果最佳. 实验设计与 制备了掺镁铌酸锂二维六角位相阵列光栅, 并对其进行了Talbot衍射光成像实验研究, 得到了不同位相差和不同泰伯分数β条件下光栅近场衍射 光图像, 实验结果与理论研究结果相符. 关键词： 二维六角位相阵列光栅 掺镁铌酸锂晶体 泰伯效应