KDP晶体微纳加工表层杂质对其激光损伤阈值影响的有限元分析

 根据KDP晶体杂质附近的温度场及热应力场理论,分析了微纳加工表层杂质影响下晶体温度场及热应力场的分布情况,发现杂质离子对激光的强吸收作用是造成KDP晶体损伤的主要原因之一,也是影响KDP晶体激光损伤阈值的最主要因素。通过分析还发现杂质半径对晶体的激光损伤阈值也有影响,并得到一个有害的杂质半径,使得杂质吸收能量最多,温度最高。另外杂质种类及杂质含量的不同也会对晶体的激光损伤阈值产生影响。     

KDP晶体前表面修复轮廓的光强调制能力影响

在高功率激光系统中,精密微机械修复是减缓磷酸二氢钾(KDP)晶体表面缺陷增长的有效方法,使用精密微铣削机床可以加工出球面型与高斯型修复轮廓。为得到最优的修复结构参数,建立了晶体前表面球面型与高斯型修复轮廓的电磁场有限元模型,通过改变轮廓的宽度、深度等参数,对两种修复轮廓的光强调制能力进行对比研究。仿真结果表明光强调制能力主要是由修复轮廓的衍射效应及入射光在修复界面处的二次入射所引起的干涉作用共同决定;针对初始损伤点,建议采用宽深比大于5的修复轮廓,从而有效提高KDP晶体表面缺陷点的激光损伤阈值,对于宽深比大于10的修复轮廓建议选用高斯型;对宽1000μm,深20μm的两种修复表面的激光损伤实验表明,高斯型修复轮廓具有较高的抗损伤能力,实验与仿真结果相一致。     

KDP晶体的杂质与光学性能分析

 测量常规方法与快速方法生长的非线性光学KDP晶体紫外及近红外波段透射光谱性能,并测定了晶体不同生长区域杂质的含量,通过对实验结果的分析比较讨论了影响晶体紫外透过性能的因素;采用多脉冲平均方式测量了不同方法生长晶体在1 064nm及532 nm皮秒激光脉冲作用下的晶体损伤阈值,晶体的体吸收系数与晶体抗损伤能力的对应关系表明晶体内部的杂质与缺陷存在着明显的光吸收, 从而降低了晶体对高能量脉冲的负载能力。     

光学元件亚表面缺陷的损伤性检测方法

在磨削、研磨和抛光加工过程中产生的微裂纹、划痕、残余应力等亚表面缺陷会导致熔石英元件抗激光损伤能力下降,如何快速、准确地检测亚表面损伤成为光学领域亟待解决的关键问题。采用HF酸蚀刻法、角度抛光法和磁流变斜面抛光法对熔石英元件在研磨加工中产生的亚表面缺陷形貌特征及损伤深度进行了检测和对比分析,结果表明,不同检测方法得到的亚表层损伤深度的检测结果存在一定差异,HF酸蚀刻法检测得到的亚表面损伤深度要比角度抛光法和磁流变斜面抛光法检测结果大一些。且采用的磨粒粒径越大,试件表面及亚表面的脆性断裂现象越严重,亚表面缺陷层深度越大。     

KDP晶体金刚石车削参数对晶体雾化的影响

安装在高功率激光系统中的KDP晶体,其表面质量是一个很重要的问题。单点金刚石车削是唯一获得透射波前误差和激光损伤阈值的方法,尤其是在紫外UV波段。KDP晶体表面雾化与金刚石车削参数有关。研究金刚石车削参数主要是为了提高KDP晶体的频率转化效率。研究结果表明,在金刚石切削中使用一种纯净的切削油和适宜的加工参数能大大地减少晶体表面的雾化。     

KDP晶体飞切加工表面缺陷的抑制方法

研究了磷酸二氢钾(KDP)晶体表面典型缺陷的形成原因及抑制方法。通过飞切加工及表面染色切削实验证明了成因分析结果的正确性,进一步明确了KDP晶体表面缺陷的形成过程。建立了适用于描述KDP晶体表面缺陷形成过程的理论模型,提出了获得无缺陷晶体表面的工艺条件。对飞切加工参数及刀具结构进行了优化,实验验证了缺陷抑制措施的有效性。研究结果表明,在飞切条件下,KDP晶体(001)晶面的脆塑转变(BDT)深度变化范围为125～268 nm,当沿45°方向切削时BDT深度最大,此时只要保证进给速率小于36.6μm/r即可避免在晶体表面形成凹坑。通过优化刀具结构,可消除晶体表面的凸起缺陷,有效抑制KDP晶体的表面缺陷,最终获得了粗糙度小于2 nm的光滑KDP晶体表面。     

纳秒强激光诱导K9玻璃表面损伤实验

 使用脉宽约10 ns的Nd:YAG激光器,研究低加工缺陷条件下K9光学玻璃在单激光脉冲作用下的损伤形貌。利用软边光阑加长程衍射的方法实现光斑整形,利用微分干涉光学显微镜和扫描电镜对样品前后表面的损伤形貌进行观察和成像,对比研究了K9光学玻璃前后表面的损伤形貌,分析了损伤机制。研究结果显示：在红外纳秒激光辐照下,加工缺陷是K9光学玻璃产生初始损伤的主要诱因;前表面的损伤主要表现为微坑及高温等离子体产生的冲蚀变色和表面微裂纹;后表面出现了均匀的亚波长周期性光栅结构,这种周期性结构是后表面损伤增长的主要诱因。     

45°高反膜中节瘤缺陷的电场增强效应及损伤特性

研究设计和制备了中心波长为1064 nm的45°多层膜反射镜,通过数值仿真结合实验,对薄膜中节瘤缺陷引起的电场增强效应及其对薄膜抗激光损伤性能的影响进行了研究。结果表明:当1064 nm激光从右至左45°斜入射时,电场增强效应主要出现在节瘤缺陷的表层及其左侧轮廓中部,电场增强效应随节瘤缺陷尺寸增大而增强。实验上,在清洁的基板表面喷布单分散SiO2微球作为人工节瘤种子,采用电子束蒸发制备法完成多层全反膜的制备,采用R-on-1方式对薄膜样品进行激光损伤测试。结果表明,薄膜的损伤阈值随着节瘤缺陷尺寸增加而减小。通过综合分析电场增强效应、薄膜损伤测试结果及损伤形貌特征得出,薄膜损伤阈值降低是由于节瘤缺陷和薄膜中微缺陷共同作用的结果。     

皮秒激光加工CVD单晶金刚石的特征和机理研究

为了探究皮秒激光加工金刚石的特征和材料去除机理,开展了皮秒激光加工CVD单晶金刚石微槽的试验和温度场仿真研究。利用场发射扫描电子显微镜检测了金刚石微槽表面和内部的微观形貌,实验结果表明,金刚石微槽边缘出现了微小崩边和微裂纹,微槽内部形成了周期约为255 nm和495 nm的纳米条纹。通过测量金刚石微槽宽度、深度、体积,得到了皮秒激光烧蚀金刚石的阈值、烧蚀速率和材料去除率。对金刚石微槽底部进行拉曼分析,发现皮秒激光加工金刚石是通过表面石墨化进行的,并且随着激光能量密度的增加,石墨峰出现了明显的红移。理论计算得到皮秒激光烧蚀金刚石的石墨层厚度约为88.7 nm。皮秒激光烧蚀金刚石温度场仿真结果表明,皮秒激光辐照能量主要分布在金刚石的表面,而通过热传导进入到金刚石内部的激光能量极少,因此皮秒激光加工金刚石的热影响区极小,导致其产生的石墨层厚度小于100 nm。     

紫外脉冲激光退火发次对KDP晶体抗损伤性能的影响

在R-on-1的辐照模式下, 利用355 nm的紫外脉冲激光以低于KH₂PO₄ (KDP)晶体零概率损伤阈值的通量对其进行不同发次的全域扫描, 目的是为了研究KDP晶体在接受不同发次的紫外激光辐照后其抗损伤能力的变化规律及机制. 辐照后的1-on-1损伤测试表明, 适当的紫外激光退火可以有效地提升KDP晶体的抗损伤能力, 提升的幅度与其接受激光扫描的次数有关. 通过荧光和紫外吸收检测深入探讨了晶体内缺陷对激光退火的影响, 结果表明: 紫外脉冲激光辐照后KDP 晶体内的氧空位电子缺陷的存在与否是导致其抗损伤能力变化的主要原因; 通过拉曼和红外光谱的测量表明, 辐照后KDP 晶体内的PO₄, P–OH和P＝O基团的极化变形也导致了其抗损伤能力的改变. 关键词： 激光退火 荧光 拉曼 红外     

KDP晶体单点金刚石车削表面形貌分形分析

 分别使用2维和3维分形方法对单点金刚石车削加工的KDP晶体表面形貌进行了分析，并对表面的3维分形维数和3维粗糙度表征参数进行了比较，分析了二者对表面形貌表征的差异。使用2维轮廓分形方法计算了KDP晶体表面圆周各方向上的分形维数。通过分析得出：3维分形维数与表面粗糙度值成反比关系；使用单点金刚石车削方法加工KDP晶体会形成各向异性特征明显的已加工表面，在一定程度上容易形成小尺度波纹；已加工表面是否具有明显的小尺度波纹特征与表面粗糙度值并无直接关系，但与其表面轮廓分形状态分布密切相关；KDP晶体表面2维功率谱密度与其分形状态具有相近的方向性特征。     

高平均功率开关晶体热力学特性有限元分析

 基于有限元数值方法，就不同的光强分布模型以及电光晶体固定或自由的边界条件，模拟分析了KDP，DKDP，LiNbO₃，BBO开关晶体材料在高平均功率激光负载下的热力学特性。结果表明:激光作用数s后，温升分布基本与光强分布一致；晶体表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;晶体的力学边界约束对最大轴向位移及最大拉热应力的影响随着光斑填充因子的增大而增强;在相同的入射激光光源及相同的边界条件下,KDP上的温升最大，热畸变最严重，DKDP次之，而LiNbO₃和BBO具有较低的温升值或较低的热形变和热应力。     

Linear and nonlinear optical properties of dye-doped KDP crystals: Effect of thermal treatment

Potassium dihydrogen phosphate crystals (KDP, KH₂PO₄) doped with the organic xylenol orange (XO) dye are grown, the XO concentration in the crystal matrix is about 10 ppm. The spectral and luminescent properties of nominally pure, dye-doped and dye-doped/annealed at 150 °C crystals (KDP, KDP:XO and KDP:XO_an) were measured. The annealing temperature effect on the degree of dye protonation in the crystal matrix is established. Analysis of the IR-absorption spectra reveals a strong interaction between the incorporated dye molecules and the hydrogen subsystem of the matrix. The nonlinear optical (NLO) properties of KDP, KDP:XO and KDP:XO_an crystals are studied within the self-action effect of picosecond laser pulses at 532 nm. The mechanism of photoinduced bleaching and the effects of laser beam self-focusing (in KDP) and self-defocusing (in KDP:XO and KDP:XO_an) are supposed to be due to resonance excitation of the subsystems of intrinsic defects and dye molecules, correspondingly. For KDP:XO_an it is shown that thermal annealing of intrinsic crystal defects leads to domination of more effective NLO response of the subsystem of dye molecules that is correlated with photoluminescence data.     

Study of second harmonic generation by non-linear crystals with phase conjugation

We present the correction of the phase distortion which occurs during the second harmonic generation by non-linear crystals, such as KDP and KTP at high average power laser. This is due to the optical quality and thicknesses of the crystals which in turn influence the quality of the incident laser beam. This phase distortion is corrected by reflecting back the laser beam into the crystal using a phase conjugate mirror. It is found that the conversion efficiency of second harmonic generation without phase conjugation is more than that with phase conjugation. Far field pattern shows that the distortion of the laser beam can be corrected by using the phase conjugate mirror. Fidelity of the beam profile increases significantly with phase conjugation in the case of KDP crystal.     

Effect of S Substitution for P Point Defects in KDP Crystals： First-Principles Study

The electronic structure and geometric distribution of phosphor replaced by sulfur in potassium dihydrogen phosphate （KDP） are investigated by first-principles calculations. The point defect narrows down the energy gap to about 4.9eV, corresponding to a two-photon absorption of 355nm after correction. This can explain the decrease of the laser damage resistance in KDP crystals. Moreover, the defects twist the crystal structure and weaken bonds, especially the O-H bonds, so these bonds may be the first sites to crack under laser irradiation.     

重频应用下等离子体电光开关热退偏损耗分析

 基于有限元数值方法,给出电光晶体KDP在高平均功率激光负载下温度场分布和应力场分布。在此基础上得到了折射率随温度变化、电光系数随温度变化、及应力双折射引入的退偏损耗。数值模拟显示：电光系数随温度变化和应力双折射是引起开关退偏损耗的主要因素。当入射激光平均功率为40 W、辐照时间为420 s时,KDP晶体最高温度为38.43 ℃,电光系数随温度变化及应力双折射引入的最大退偏损耗分别为2.38%和4.04%。实验测量了应力双折射导致的退偏损耗,实验结果和理论结果符合较好。     

Raman gains of ADP and KDP crystals

In this paper, the Raman gain coefficients of ammonium dihydrogen phosphate(ADP) and potassium dihydrogen phosphate(KDP) crystals are measured. By using a pump source of a 30-ps, 532-nm laser, the gain coefficients of ADP and KDP are 1.22 cm/GW, and 0.91 cm/GW, respectively. While for a 20-ps, 355-nm pump laser, the gain coefficients of these two crystals are similar, which are 1.95 cm/GW for ADP and 1.86 for KDP. The present results indicate that for ultra-violet frequency conversion, the problem of stimulated Raman scattering for ADP crystal will not be more serious than that for KDP crystal. Considering other advantages such the larger nonlinear optical coefficient, higher laser damage threshold,and lower noncritical phase-matching temperature, it can be anticipated that ADP will be a powerful competitor to KDP in large aperture, high energy third-harmonic generation or fourth-harmonic generation applications.     

Investigation of bulk laser damage in KDP crystal as a function of laser irradiation direction, polarization, and wavelength

Bulk laser-induced damage in KDP crystal was measured using a single-shot 1-ns pulse Nd:YAG laser in a transverse and longitudinal single mode. It is found that the damage threshold of KDP single crystal depends on the laser irradiation direction, polarization direction and laser wavelength. The damage threshold in the direction of c axis is about two times higher than that of in the a(b) axis at 0.532 and 1.064 μm wavelength. This result is consistent with the mechanical strength tests for various directions of KDP crystal. Received: 19 February 1999 / Revised version: 3 September 1999 / Published online: 27 January 2000