化学增透膜激光疲劳损伤效应

疲劳效应是诱导高功率固体激光装置中光学元件激光损伤的因素之一,目前对SiO₂化学增透膜激光诱导疲劳损伤的研究鲜见报道。基于此,本文采用单一激光能量多发次辐照和多梯度激光能量多发次辐照两种不同的激光辐照方式,研究1064 nm化学增透膜层的激光疲劳损伤效应及特征。研究结果表明,在单一激光能量多发次脉冲激光辐照下,膜层最易发生疲劳损伤; 采用多梯度激光能量多发次辐照的方式,可以有效地提升膜层的损伤阈值,进而提升膜层的抗激光疲劳损伤性能。     

大口径衍射光栅10 ps激光损伤阈值测量（英）

在采用啁啾脉冲放大技术的高功率短脉冲激光装置中,终端衍射光栅的损伤阈值是限制装置输出能力的瓶颈之一。提出了测量大口径光栅损伤阈值的方法。该方法通过在线监测采集大口径光斑的同发近场光强分布情况和相应的光栅损伤图像,并经过一系列后期图像数据处理,建立起能量与损伤点的对应关系,经过一个测试光斑便可获得所有通量下的光栅损伤特性。该测量方法对光斑均匀性没有硬性要求,为损伤测量装置中难以解决的光斑均匀性问题提出了新的应对思路和方法。     

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     

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。     

亚波长光栅偏振片的纳秒脉冲激光损伤特性

偏振片在诸多光学系统中有着重要的应用。亚波长介质光栅可用作正入射偏振片，在高能激光系统中有着广泛的应用前景。为了探究波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光对于亚波长全介质光栅的诱导损伤特性，使用了粒子群优化算法结合严格耦合波分析设计了光栅的几何参数，计算表明亚波长光栅偏振片在入射光波长1 064 nm附近带宽0.5 nm内，平均消光比为1 500。使用了紫外曝光配合离子束刻蚀的工艺制备了HfO₂光栅，并对其纳秒脉冲激光损伤阈值进行了测试。测试结果表明S光损伤阈值约为P光损伤阈值的5倍，且都大于5 J/cm2。结果表明亚波长全介质光栅偏振片可广泛用于正入射激光系统中。     

UBK7玻璃后表面缺陷诱导体内激光损伤

 对UBK7玻璃在波长为1.064靘的短脉冲激光作用下产生的损伤进行了研究。通过对体损伤的形貌的相衬显微镜观测,发现体内和后表面炸裂点间的丝状损伤,从而提出后表面缺陷导致体损伤的理论解释。同时分析了表面损伤和体损伤的机理,对后表面损伤阈值低于前表面的原因作了讨论。     

超高强度激光脉冲压缩用衍射光栅

衍射光栅是超高强度激光脉冲压缩器的核心元件之一，其高衍射效率、高损伤阈值和大尺寸的苛刻要求是普通商业光栅所远远不能满足的，文章对高强度激光超短脉冲压缩用衍射光栅的基本要求、主要类型、研究现状进行了综述。     

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。     

532nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤特性研究

随着光电对抗和超短脉冲激光技术的发展,研究超短脉冲激光与单晶硅相互作用具有非常重要的理论和实际意义.为了进一步明确532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤机理,本文开展了532 nm皮秒脉冲激光辐照单晶硅的损伤效应实验研究,测定了损伤阈值,明确了损伤机理,探讨了低通量下的脉冲累积效应.首先,利用波长为532 nm、脉冲宽...     

光学元件激光预处理技术研究进展及其应用

光学元件中的杂质和缺陷会引起其激光损伤阈值的大幅降低,现阶段这一问题已成为激光装置向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”,亟待解决。在对光学元件激光损伤的研究中发现,用低于光学元件损伤阈值的激光对元件表面进行预处理,可以有效提高光学元件的抗激光损伤能力。对激光预处理技术的提出背景、定性作用机理、定量理论模型及国内外技术应用现状进行了概述。并且介绍了一种可在薄膜制备过程中进行原位实时激光预处理的新型薄膜制备技术。最后指出,激光预处理技术作为一种无污染,可有效改善光学薄膜、光学玻璃、光学晶体元件损伤阈值的最有效方法之一,其作用机理、实用化、仪器化还有待进一步发展。     

Annealing effects on structure and laser-induced damage threshold of Ta2O5/SiO2 dielectric mirrors

The effects of annealing on structure and laser-induced damage threshold (LIDT) of Ta₂O₅/SiO₂ dielectric mirrors were investigated. Ta₂O₅/SiO₂ multilayer was prepared by ion beam sputtering (IBS), then annealed in air under the temperature from 100 to 400 °C. Microstructure of the samples was characterized by X-ray diffraction (XRD). Absorption of the multilayer was measured by surface thermal lensing (STL) technique. The laser-induced damage threshold was assessed using 1064 nm free pulsed laser at a pulse length of 220 μs.

It was found that the center wavelength shifted to long wavelength gradually as the annealing temperature increased, and kept its non-crystalline structure even after annealing. The absorbance of the reflectors decreased after annealing. A remarkable increase of the laser-induced damage threshold was found when the annealing temperature was above 250 °C.     

多脉冲激光辐照下介质损伤理论研究

针对纳秒脉冲和飞秒脉冲不同的损伤机制,分别建立了两种多脉冲激光损伤模型。脉宽小于10 ps时,损伤是由于等离子体形成造成介质发生烧蚀所致,对此建立了基于电子密度演化方程的介质击穿模型;脉宽大于100 ps时,损伤是由于热沉积造成介质发生熔融所致,对此建立了基于傅里叶热传导方程的介质热损伤模型。通过计算两种模型下激光参数和材料参数对多脉冲损伤的影响,发现由于损伤机理不同,不同参数对单脉冲损伤阈值和多脉冲损伤阈值的影响趋势不完全一致,敏感程度也不同。通过计算得到了与实验结果一致的多脉冲损伤阈值与脉冲数间关系,使定量预估多脉冲损伤阈值和元件使用寿命成为可能。     

Demonstration of coherent addition of multiple gratings for high-energy chirped-pulse-amplified lasers

Petawatt solid-state lasers require meter-sized gratings to reach multiple-kilojoule energy levels without laser-induced damage. As an alternative to large single gratings, we demonstrate that smaller, coherently added (tiled) gratings can be used for subpicosecond-pulse compression. A Fourier-transform-limited, 650-fs chirped-pulse-amplified laser pulse is maintained by replacing a single compression grating with a tiled-grating assembly. Grating tiling provides a means to scale the energy and irradiance of short-pulse lasers.     

脉冲激光辐照硅材料引起表面波纹的特性研究

叙述了激光与材料相互作用过程中引起相干受激光散射的机制,以及形成材料表面波纹的特性。在激光波长1．06μm、能量15mJ、光斑直径2mm、脉冲半峰全宽约10ns和入射方向为布儒斯特角的条件下,进行了脉冲激光辐照硅材料形成表面波纹的实验研究。在脉冲激光辐照硅材料表面功率密度略大于材料损伤阈值的条件下,发现了硅材料表面形成的平行等间距直线条纹结构。用光学显微镜和原子力显微镜分别测量了被辐照硅材料表面的波纹形貌特征。在假设硅材料表面波纹的产生与声波在材料中的传播速度有关的条件下,由声波传播速度和激光辐照硅材料的脉冲宽度较好地解释了材料表面形成条纹的宽度．并认为在形成表面波纹的过程中,热应力起主要作用。     

Polarization effect of femtosecond pulse breakdown in subwavelength antireflective relief grating

The transmittance property and the near-field distribution of subwavelength broadband antireflective grating directly patterned into the wide bandgap dielectric material as a function of the surface period and groove depth are performed by a rigorous Fourier modal method. It is found that the transmittivity is insensitive for TE and TM polarization, but the near-field distribution associated with laser damage resistance ability is strongly dependent on polarization state of incident light. What's more, the femtosecond pulse laser damage threshold of surface structure taking into account local maximum electric field enhancement was calculated numerically using a theoretical ionization mechanism model. The higher threshold on the surface period, pulse duration and incident wavelength for TM polarization than that for TE wave is demonstrated quantitatively.     

重复率激光作用下光学薄膜损伤的累积效应

使用脉宽12 ns,频率10 Hz的1064 nm调Q NdYAG激光器,研究了高反射膜在重复率激光作用下的损伤的累积效应.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.可用预损伤机制解释实验结果.得到了关于IBS制备的高反射膜的损伤阈值和照射次数的关系式,并用实验结果进行验证,发现具有很好的一致性.实验过程中样品的损伤形貌通过Nomarski偏光显微镜进行了观察,发现是典型的缺陷损伤.     

Ultraviolet laser removal of small metallic particles from silicon wafers

Laser removal of small 1 μm sized copper, gold and tungsten particles from silicon wafer surfaces was carried out using ultraviolet radiation at 266 nm generated by Nd:YAG harmonic generation. Successful removal of both copper and gold particles from the surface was achieved whereas tungsten particles proved to be difficult to remove. The cleaning efficiency was increased with an increase of laser fluence. The optimum processing window for safe cleaning of the surface without any substrate damage was determined by measuring the damage threshold laser fluence on the silicon substrate and the required fluence for complete removal of the particles. The different cleaning efficiencies with particle type are discussed by considering the adhesion force of the particle on the surface and the laser-induced cleaning force for the three different particles.     

一种激光损伤阈值测试新方法

随着激光器朝向大功率、高能量的方向发展,激光损伤阈值成为了衡量光学元件抗激光损伤能力的重要参数之一,因此,能否准确地测量出光学元件的激光损伤阈值成为研究的重点。而光学元件激光损伤阈值测试的关键是能否准确地判别光学元件是否发生激光损伤。为解决目前常见的损伤判别方法存在的精度低、识别时间长、适用材料范围窄、操作复杂等不足,提出了一种新的激光损伤的判别方法,即等离子体诊断法。以K9玻璃为例,搭建激光损伤阈值的测试平台,利用光纤光谱仪采集强激光辐照K9玻璃时所产生的激光等离子体闪光光谱,并对该光谱进行诊断分析,将该光谱中是否含有待测试光学元件材料中特征元素的光谱峰作为其是否收到激光损伤的标准。同时,对K9玻璃进行了激光损伤阈值的测试,并将测试结果与等离子体闪光法和显微镜法所测的激光损伤阈值进行了对比分析。实验表明,提出的等离子体诊断方法的判别精度高、速度快、测试装置结构简单,易实现在线测量,可以大大地提高光学元件激光损伤阈值测试工作的效率。     

激光波长及脉宽对光学材料抗损伤性能的影响

 基于能带理论,利用激光与光学材料相互作用的理论模型,研究了激光辐照下材料导带自由电子数密度的变化,讨论了材料损伤阈值与激光波长、脉冲宽度、材料禁带宽度之间的关系,数值分析了激光波长和脉冲宽度对损伤阈值的影响。结果表明:当脉宽小于1 ps时,材料损伤阈值随脉宽增大而减小;当脉宽大于1 ps时,材料损伤阈值随脉宽增大而增大;激光波长为10 fs~10 ns,损伤阈值随着波长的减小而减小。     

基于分数泰伯效应的激光损伤阈值测量

 介绍了一种基于分数泰伯效应的单脉冲激光损伤阈值测量方法。该方法是根据六角相位光栅的分数泰伯效应，将激光光束整形成许多不同能量密度的高斯形状光斑，通过比较光斑分布图和损伤分布图即可统计计算得到各个能量密度区间的损伤概率。根据角谱传输理论数值模拟得到了六角相位光栅的分数泰伯像并得到实验验证。用该方法和传统的1on1测得HfO₂/SiO₂高反介质膜的激光零损伤阈值分别为7.9和8.0 J/cm²，并进行了误差分析。