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.     

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.     

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。     

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。     

1 053，527，351 nm倍频分离膜的制备与性能研究

 用电子束蒸发及光电极值监控技术在石英基底上沉积了三倍频分离膜，将部分样品置空气中于250 ℃温度下进行3 h热退火处理。然后用Lambda900分光光度计测量了样品的光谱性能；用表面热透镜技术测量了样品的弱吸收值；用调Q脉冲激光装置测试了样品分别在355 nm和1 064 nm的抗激光损伤阈值。实验结果发现，样品的实验光谱性能良好，退火前后其光谱性能几乎没有发生温漂，说明薄膜的温度稳定性好；同时弱吸收平均值从退火前的1.07×10^-4下降到退火后的6.2×10^-5，从而使对基频的抗激光损伤阈值提高，从14.6 J/cm²上升到18.8 J/cm²，但是三倍频阈值在退火后有显著降低，从7.5 J/cm²下降到2.5 J/cm²。     

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。     

Laser Induced Damage Threshold at 355 and 1064nm of Ta2O5 Films of Different Phases

Ta2O5 films axe deposited on fused silica substrates by conventional electron beam evaporation method. By annealing at different temperatures, Ta2 O5 films of amorphous, hexagonal and orthorhombic phases are obtained and confirmed by x-ray diffractometer （XRD） results. X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） analysis shows that chemical composition of all the films is stoichiometry. It is found that the amorphous Ta2 O5 film achieves the highest laser induced damage threshold （LIDT） either at 355 or 1064nm, followed by hexagonal phase and finally orthorhombic phase. The damage morphologies at 355 and 1064nm are different as the former shows a uniform fused area while the latter is centred on one or more defect points, which is induced by different damage mechanisms. The decrease of the LIDT at 1064nm is attributed to the increasing structural defect, while at 355nm is due to the combination effect of the increasing structural defect and decreasing band gap energy.     

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     

环境气氛压强对熔石英紫外激光损伤阈值的影响

 利用1∶1, S∶1, R∶1方法,测试了不同真空度（10-3～105 Pa）和不同气氛（空气、氮气、氧气）环境下熔石英351 nm激光损伤阈值,测试结果表明,用1∶1, S∶1方法测试得到的阈值在不同气氛压强下几乎相等;R∶1损伤阈值受气压的影响较大,在小于等于10³ Pa气压下,较105 Pa气压的阈值降低28%～41%;但R∶1损伤阈值同气氛的关系不大,在同气压下差别小于10%,在测量值误差范围内。利用50%破坏几率对应的损伤阈值Fth（R∶1）一半的激光能量密度辐照样品,考察其抗多脉冲辐照的能力,分析表明,在同样的能量密度辐照下,10³ Pa空气及氮气环境和105 Pa氮气环境下同样具有高的寿命;而10^-3 Pa高真空环境下其寿命较短,在10^-1 Pa低真空环境下其寿命最短。     

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。     

两种后处理方法对HfO2薄膜性能的影响

利用电子束蒸发和光电极值监控技术制备了氧化铪薄膜,并分别用两种后处理方法(空气中退火和氧等离子体轰击)对样品进行了处理.然后,对样品的透过率、吸收和抗激光损伤阈值进行了测试分析.实验结果表明,两种后处理方法都能不同程度地降低了氧化铪薄膜的吸收损耗、提高了抗激光损伤阈值.实验结果还表明,氧等离子体轰击的后处理效果明显优于热退火,样品的吸收平均值在氧等离子体后处理前后分别为34.8 ppm和9.0 ppm,而基频(1 064 nm)激光损伤阈值分别为10.0 J/cm2和21.4 J/cm2.     

Postprocessing treatments to improve the laser damage resistance of fused silica optical surfaces and SiO2 coatings

The combination of deep wet etching and a magneto-rheological finishing(MRF) process is investigated to simultaneously improve laser damage resistance of a fused-silica surface at 355 nm. The subsequently deposited SiO2 coatings are researched to clarify the impact of substrate finishing technology on the coatings. It is revealed that a deep removal proceeding from the single side or double side had a significant impact on the laser-induced damage threshold(LIDT) of the fused silica, especially for the rear surface. After the deep etching, the MRF process that followed does not actually increase the LIDT, but it does ameliorate the surface qualities without additional LIDT degradation. The combination guarantee both the integrity of the surface’s finish and the laser damage resistance of the fused silica and subsequent SiO2 coatings.