提高多层介质膜脉宽压缩光栅阈值的清洗方法

采用HPM溶液（盐酸、双氧水和去离子水的混合液）结合氧等离子体对多层介质膜脉宽压缩光栅进行清洗研究。用X射线光电子能谱检测光栅表面的元素成分及其原子含量的变化。实验结果表明,氧等离子体处理能有效去除光栅表面残留光刻胶和碳氟化合物; 再经HPM溶液清洗,反应离子束刻蚀和氧等离子体处理过程产生的金属污染物被进一步去除。经过上述清洗工艺处理后,光栅一级衍射效率仍保持在95%以上,光栅表面激光诱导损伤阈值达到1.6 J/cm2 (1053 nm, 10 ps)。实验结果说明了氧等离子体和HPM溶液相结合能有效清洗多层介质膜脉宽压缩光栅,并显著提高光栅损伤阈值。     

光学膜层激光预处理过程研究

 光学元件经过激光预处理后，其抗激光破坏能力最大提高2倍以上，系统研究激光预处理机理和工艺，能安全可靠地提高光学元件损伤阈值，提升高功率激光系统的能量密度。研究了几种sol gel膜、PVD膜在预处理前后膜层表面的变化（损伤形貌）以及损伤阈值的增幅，发现预处理过程膜层仍然发生了一定程度的轻微损伤，这种损伤和膜层本身缺陷、激光参数密切相关，预处理过程可逐步消除膜层缺陷。     

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。     

超声清洗与激光预处理对减反膜阈值的影响

 研究了超声清洗和激光预处理两种后处理手段对减反膜的损伤特性的影响。采用电子束蒸发技术制备了1 064 nm减反膜，利用超声清洗及激光预处理的方法分别对样品进行处理，并对处理前后的样品分别进行激光损伤阈值测试及破斑深度测量。结果表明：处理后减反膜的损伤阈值均有所提升，但激光预处理的阈值增强效果更加明显；超声清洗前后的破斑深度没有大的变化，而激光预处理后的破斑深度比处理前浅得多；原因在于超声清洗只能去除表面杂质，激光预处理可减少和抑制膜层内较深处的缺陷。     

电场的增强作用对介质膜光栅损伤形貌的影响

研究了电场在介质膜光栅结构中的增强效应对其抗激光损伤阈值的影响.使用傅里叶模式方法计算了电场在介质膜光栅浮雕结构内的分布.数值分析表明：电场在介质膜光栅中增强的最大值为入射光的2倍,其最大的位置出现在相对于入射光对面的光栅槽侧壁。实验测试介质膜光栅样品在1 064 nm和12 ns, 51.2°和TE偏振光入射时,其抗激光损伤阈值为6.61 J/cm2.对损伤形貌进行扫描电镜精确分析,发现介质膜光栅的初始损伤产生于电场在介质膜光栅内增强最大的位置处.     

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。     

多重分形谱研究溶胶-凝胶SiO2疏水减反膜的激光预处理作用

采用溶胶-凝胶提拉技术制备了SiO₂疏水减反膜.使用Nd：YAG激光（波长为1064nm,脉宽为7.5ns）采用“R on 1”方式对所得膜层进行了激光预处理.在预处理前后采用“1 on 1”方式考察了薄膜的激光损伤阈值的变化,使用原子力显微镜（AFM）观察了薄膜的表面形貌的变化,并使用多重分形谱（MFS）方法分析了薄膜分形结构的变化.结果表明经过激光预处理后薄膜的抗激光损伤阈值有了明显提高,均方根表面粗糙度（R_q）稍有减小,膜面变平整,多重分形谱宽度收缩,分形区间的分布均匀性改善.这说明经过激光预处理后薄膜表面微结构趋向规整,使之能够承受更强的激光的辐照.同时也说明借助多重分形谱可以获得更多薄膜表面结构变化的信息,多重分形谱是探索强激光对光学薄膜辐照作用机理的一个十分有用的方法. 关键词： 2疏水减反膜')" href="#">SiO₂疏水减反膜 激光预处理 多重分形谱 激光损伤阈值     

多重分形谱研究溶胶-凝胶SiO2疏水减反膜的激光预处理作用

采用溶胶-凝胶提拉技术制备了SiO2疏水减反膜.使用Nd:YAG激光(波长为1064 nm,脉宽为7.5ns)采用"R on 1"方式对所得膜层进行了激光预处理.在预处理前后采用"1 on 1"方式考察了薄膜的激光损伤阈值的变化,使用原子力显微镜(AFM)观察了薄膜的表面形貌的变化,并使用多重分形谱(MFS)方法分析了薄膜分形结构的变化.结果 表明经过激光预处理后薄膜的抗激光损伤阈值有了明显提高,均方根表面粗糙度(Rq)稍有减小,膜面变平整,多重分形谱宽度收缩,分形区间的分布均匀性改善.这说明经过激光预处理后薄膜表面微结构趋向规整,使之能够承受更强的激光的辐照.同时也说明借助多重分形谱可以获得更多薄膜表面结构变化的信息,多重分形谱是探索强激光对光学薄膜辐照作用机理的一个十分有用的方法.     

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。     

HfO2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀

多层介质膜光栅是高功率激光系统的关键光学元件. 为了满足国内强激光系统的迫切需求,首先利用考夫曼型离子束刻蚀机开展了HfO₂顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀实验研究. 采用纯Ar及Ar和CHF₃混合气体作为工作气体进行离子束刻蚀实验,获得了优化的离子源工作参数. 结果表明,与纯Ar离子束刻蚀相比,Ar和CHF₃混合气体离子束刻蚀时的HfO₂/光刻胶的选择比大. HfO₂的离子束刻蚀过程中再沉积效应明显,导致刻蚀光栅占宽比变大. 根据刻蚀速率分布制作的掩模遮挡板可以提高刻蚀速率均匀性,及时清洗离子源和更换灯丝,可保证刻蚀工艺的重复性. 利用上述技术已成功研制出多块最大尺寸为80 mm×150 mm、线密度1480线/mm、平均衍射效率大于95%的HfO₂顶层多层介质膜脉宽压缩光栅. 实验结果与理论设计一致,为大口径多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀提供了有益参考. 关键词： 光栅 多层介质膜 离子束刻蚀     

基于多层介质膜光栅的谱合成系统光束特性分析

针对多层介质膜光栅在光束谱合成系统中的应用, 利用光线追迹方法, 建立了基于多层介质膜光栅的谱合成系统光传输模型. 多层介质膜光栅引入的相位调制包括浮雕表面上光程差与浮雕结构光程差两部分, 且受到光栅槽深、占空比和光束入射角等因素的影响. 利用衍射积分方法和光束非相干叠加原理, 计算模拟了基于多层介质膜光栅的谱合成系统的合成光束光强分布. 在此基础上, 利用强度二阶矩方法分析了合成光束的光束质量, 并讨论了多层介质膜光栅的槽深、占空比和制作误差等因素对合成光束特性的影响. 结果表明: 改变多层介质膜光栅的槽深和占空比以及中心光束入射角会影响合成光束能量, 但不会影响合成光束的光束质量, 合成光束的光束质量始终保持与单个子光束的光束质量相当; 多层介质膜光栅的制作误差对合成光束的光束质量和能量均存在明显影响.     

大口径多层介质膜光栅衍射效率测量及其在制作工艺中的应用

多层介质膜光栅是高功率激光系统的关键光学元件.为了满足国内强激光系统的迫切需求, 在大口径多层介质膜光栅的研制过程中,建立了单波长自准直条件下的衍射效率测量方法及其误差分析. 结果表明误差主要由探测器的噪声和测试人员的差异产生,对衍射效率测试精度的影响是±1%. 在此基础上,将光栅衍射效率及其分布测量技术应用于光栅制作工艺中, 作为大口径光栅无损检测的一种手段,如判断光栅掩模是否能进行离子束刻蚀、 离子束刻蚀的在线监测和是否需要再刻蚀,从而实现对大口径多层介质膜光栅离子束刻蚀过程的定量、 科学控制,提高了离子束刻蚀光栅制作工艺的成功率.利用上述技术,已成功研制出多块最大尺寸为 430 mm× 350 mm、线密度1740线/mm、平均衍射效率大于95%的多层介质膜光栅. 实验结果表明,该方法操作简单、测量快速准确,不必检测光栅微结构. 为大口径多层介质膜光栅研制的无损检测工程化奠定了基础.     

多层介质膜脉冲压缩光栅近场光学特性分析

利用傅里叶模式理论分析了TE波自准直角入射的使用条件下，多层介质膜光栅的光栅区和多层膜区电场分布的特点.分别讨论了HfO₂和SiO₂为顶层光栅材料时，光栅结构参数对光栅脊峰值电场的影响，结果表明，对于不同膜厚的顶层材料，存在一个最佳膜厚度，使光栅脊峰值电场最小，并且当膜厚增大时，设计大高宽比的光栅可以降低该电场峰值.最后，在大角度条件下使用多层膜光栅也可以降低光栅脊处的峰值电场. 关键词： 衍射光学 多层介质膜光栅 模式理论 损伤阈值     

多层介质膜脉冲宽度压缩光栅与超短脉冲作用时的性能分析

基于啁啾脉冲放大技术的超短脉冲激光系统是提供超快、超强激光的重要途径，具有良好输出波形和高损伤阈值的多层介质膜脉冲宽度压缩光栅是获得高峰值功率脉冲激光的关键. 基于傅里叶谱变换方法和严格模式理论，分析了多层介质膜光栅(MDG)在超短脉冲作用下的光学特性. 结果表明，当MDG的反射带宽小于具有高斯分布的入射脉冲的频谱宽度时，-1级反射脉冲呈非对称高斯分布，其前沿出现振荡，并且-1级反射脉冲能量开始剧烈下降. 讨论了MDG结构参数对其反射带宽的影响. 分析了MDG与超短脉冲作用时的近场光分布，对提高其抗激光损 关键词： 脉冲压缩光栅 傅里叶谱变换 模式理论 损伤阈值     

用于高能啁啾脉冲压缩的光子晶体光栅的设计

 为了克服目前高能短脉冲装置压缩光栅的损伤阈值无法满足要求的问题,针对星光Ⅲ装置皮秒激光束的压缩器,设计了由熔石英材料构成的、具有较高损伤阈值的光子晶体光栅,该光栅由2维光子晶体和表面光栅结构两部分组成,具有高反射效率和强角色散的能力。计算结果显示:经过优化设计的光子晶体光栅在波长1 053 nm,57°～77°的入射范围内,-1级衍射效率超过了92%,而当入射角为71°时,在1 040～1 090 nm光谱范围内,-1级衍射效率超过92%,性能满足使用要求。     

Varied laser induced damage phenomena of gold coated gratings for pulse compression

In this paper, gold-coated gratings for pulse compression have been prepared and their laser damage experiments have been performed. Varied laser damage morphologies have been observed: when a 60 fs-pulsed laser with energy density slightly higher than the damage threshold was used, damage morphology with a characteristic of discrete distribution of small pits was appeared. These damage pits are linearly distributed at the junction of ridges and grooves. If the laser energy density is much higher than the damage threshold, the gold films was overall ablated and the grating structure disappeared. Besides, if the gold film has poor adhesion, it was peeled off. When a 450 ps-pulsed laser with energy density slightly higher than the damage threshold was used, part of grating ridges will be ablated and an obvious line exists between the ablated area and the unchanged area. In theory, the laser induced temperature field and stress field in gold-coated gratings were calculated based on the electromagnetic field using the finite element method. It is demonstrated that the temperature and thermal stress distribution characteristics are affected by the laser heating rate and the heat diffusion time (the calculated diffusion time ranges from 6 fs to 450 ps), which determines the laser damage characteristics. The possible damage drivers have electron hydrodynamic pressure, thermal ablation and thermal stress.     

Design of high-efficiency diffraction gratings based on total internal reflection for pulse compressor

We present designs of high-efficiency compression grating based on total internal reflection (TIR) for picosecond pulse laser at 1053 nm. The setup is devised by directly etching gratings into the bottom side of a prism so that light can successfully enter (or exit) the compression grating. Dependence of the −1 order diffraction efficiencies on the constructive parameters is analyzed for TE- and TM-polarized incident light at Littrow angle by using Fourier modal method in order to obtain optimal grating structure. The electric field enhancement within the high-efficiency TIR gratings is regarded as another criterion to optimize the structure of the TIR gratings. With the criterion of high diffraction efficiency, low electric field enhancement and sufficient manufacturing latitude, TIR compression gratings with optimized constructive parameters are obtained for TE- and TM-polarized incident light, respectively. The grating for TE-polarized light exhibits diffraction efficiencies higher than 0.95 within 23 nm bandwidth and relatively low square of electric field enhancement ratio of 5.7. Regardless of the internal electric field enhancement, the grating for TM-polarized light provides diffraction efficiencies higher than 0.95 within 42 nm bandwidth. With compact structure, such TIR compression gratings made solely of fused silica should be of great interest for application to chirped pulse amplification (CPA) systems.     

Laser-induced damage on large-aperture fused silica gratings

Two sets of laser-damage experiments on large-aperture fused silica optics have been carried out in a high-power laser facility. Severe damage has been found on the grating which presented dense craters on the front surface. This phenomenon is quite different from other fused silica optics, which are damaged on the rear surface. The damage possibility due to the redeposition layer was ruled out by acid-etching the grating’s front surface. The remarkable stimulated Brillouin scattering (SBS) effect was observed in grating and the reason for the front surface damage is thought to be the backward SBS.     

超短脉冲激光光束被局域体全息光栅衍射的性质分析

利用二维耦合波理论,分析了超短脉冲激光光束被完全重叠型的局域体全息光栅衍射的时空变化性质,给出了衍射和透射脉冲激光光束沿光栅出射边界的强度时空分布。以LiNbO3晶体为例,数值研究了衍射光脉冲强度沿光栅出射边界的分布和脉冲波形的变化及光栅的总衍射效率受光栅二维尺寸、入射角度、光栅折射率调制度及入射脉冲的脉冲时域半峰全宽等条件的影响而变化的情况。与一维体全息光栅对超短脉冲激光光束衍射的性质,及此光栅对连续光衍射的性质作比较,给出了合理选择光栅参量及入射条件以在光栅出射边界上得到总衍射效率较大且分布较均匀的衍射光脉冲的方法。