高功率脉冲电子束辐照SiO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;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1 um, 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. 关键词： 熔石英 电子束辐照 色心 激光损伤阈值     

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     

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。     

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。     

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。     

ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值

以He-Ne激光作为参考光,采用反射光能量法,测量了ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值,并测量了不同功率密度的强激光辐照下探测器对参考光的反射率.实验结果表明,ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值为4.1×106W/cm2,在探测器被强激光损伤的初期阶段,探测器对参考光的反射率下降很快,继续增加入射激光的能量,探测器对参考光的反射率下降趋于平缓.     

脉冲激光辐照光学薄膜的缺陷损伤模型

建立了缺陷吸收升温致薄膜激光损伤模型,该模型从热传导方程出发,考虑了缺陷内部的温度分布以及向薄膜的传导过程,通过引入散射系数简化了Mie散射理论得出的吸收截面.对电子束蒸发沉积的ZrO₂:Y₂O₃单层膜进行了激光破坏实验,薄膜样品的损伤是缺陷引起的,通过辉光放电质谱法对薄膜制备材料的纯度分析发现材料中的主要杂质元素为铂,其含量为0.9％.利用缺陷损伤模型对损伤过程进行了模拟,理论模型和实验结果取得了较好的一致性.     

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。     

连续激光辐照GaAs材料损伤的数值模拟计算

基于热传导理论,构建了高斯分布的连续激光辐照GaAs材料的二维轴对称非稳态物理模型,且利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics求解热传导方程得到了材料表面温度分布曲线以及光斑中心处温度沿厚度方向分布曲线,并得出GaAs材料的分解损伤时间与入射光功率密度的关系曲线.研究表明,在连续激光辐照下,GaAs材料可能会发生分解损伤,激光功率越高,材料被破坏所需的时间越短.理论计算结果与相关的实验结论一致,说明所建立的激光辐照效应模型具有科学性.     

多波长辐照下熔石英光学元件的损伤及损伤增长

对比研究了基频、二倍频和三倍频激光单独和同时辐照下熔石英光学元件的初始损伤和损伤增长规律, 重点研究了基频和二倍频的加入对三倍频诱导初始损伤和损伤增长的影响, 分析了基频和二倍频相对于三倍频的折算因子。研究结果表明: 当基频和二倍频能量密度较低时, 它们对三倍频损伤几率曲线的影响可以忽略, 但会引起损伤程度的增加; 在多波长同时辐照的损伤增长中, 损伤增长阈值主要取决于三倍频的能量密度, 而损伤增长系数与总的能量密度有关; 折算因子可以同时反映初始损伤和损伤增长的波长效应和波长间的能量耦合效应。     

多波长激光同时辐照下熔石英元件的损伤研究

对比研究了3ω单独辐照、3ω＋2ω和3ω＋1ω双波长同时辐照下熔石英元件的初始损伤和损伤增长规律,重点研究3ω能量密度在其阈值附近时,低能量密度的2ω和1ω对初始损伤和损伤增长的影响,分析了波长间的能量耦合效应。结果表明：双波长同时辐照下,当2ω和1ω能量密度远低于其自身阈值时,它们对初始损伤几率和损伤增长阈值的影响可以忽略,但也会参与初始损伤和损伤增长过程,会增加初始损伤程度和损伤增长系数。基于飞秒双脉冲成像的冲击波速度测量表明,3ω和1ω同时辐照下,波长间的能量耦合效应会促进激光能量向材料沉积的效率。     

半导体材料的激光辐照效应计算和损伤阈值分析

在激光对抗中,探测器容易受到激光损伤,为此研究了连续强激光对半导体材料的损伤机理,建立了氧碘化学激光器辐照InSb圆板型靶材的二维物理模型。在圆柱坐标系中利用积分变换法,求解热传导和热弹性力学方程组。得到由激光辐照引起的温度场和热应力场的瞬态分布。经过严格的理论分析,计算出InSb材料的激光破坏阈值,讨论了,不同的辐照时间和光斑半径对破坏阈值的影响。研究发现其破坏形态为熔融破坏,一般不会出现解理或炸裂现象,这一结果与相关实验报道一致。最后分析了与温度有关的非线性参量对损伤阈值的影响。     

连续激光辐照下光学材料损伤阈值的光斑效应

实验发现，光学材料的激光损伤阈值对激光光斑大小有强烈的依赖关系。研究了连续激光和匀质材料相互作用的机制，针对小光斑情形的材料响应和大光斑情形的结构响应分别提出各自不同的物理模型来解释光斑效应。研究表明，材料响应中的光斑效应基于热传导引起的光斑区热弥散，边界条件不同，破坏阈值与光斑大小的依赖关系也不尽相同。     

紫外激光预处理对熔石英表面损伤影响的实验研究

搭建了紫外激光预处理平台,实验研究了紫外激光对熔石英基片的预处理效果。通过对比不同样片可以看出:熔石英的表面质量对预处理效果影响明显;表面原生缺陷和初始损伤的数量越多,尺度越大,辐照后的预处理效果越明显;预处理时,能量增幅采用零损伤阈值的20%为宜,预处理能量的最高值一般应达到样片零损伤阈值的80%左右。实验发现,损伤后的损伤扩展阈值一般为初始损伤阈值的1/3左右。     

激光辐照TiO2／SiO2薄膜损伤时间简捷测量

随着激光技术的快速发展，激光功率有了很大的提高，这对于光电探测系统来说是一个致命的威胁。任何一种薄膜在激光功率超过薄膜的损伤阈值时，薄膜就被破坏，光电系统就要面临失效。目前尚未见薄膜损伤时间测量的报道。文中研究不同功率激光辐照薄膜的损伤时间。     

熔石英亚表面划痕激光诱导损伤阈值实验研究

用原子力显微镜和光学显微镜观测酸蚀后熔石英亚表面划痕,并根据形貌特征将其分为Boussinesq-point-force crack(BPFC)、Hertzian-conical scratch(HCS)和Plastic indent(PI)三类,测试了各类划痕的损伤阈值,讨论了激光损伤机制。结果表明锐度较大的BPFC损伤阈值不超过2.0 J/cm<>2;深度小于1 μm的 HCS阈值可达2.6 J/cm2;形变较大的PI阈值至2.8 J/cm2,形变较小的PI的激光损伤阈值与无缺陷材料相当。BPFC 和深度超过1 μm的HCS是导致熔石英损伤阈值低的主要因素。     

熔石英亚表面划痕激光诱导损伤阈值实验研究

 用原子力显微镜和光学显微镜观测酸蚀后熔石英亚表面划痕,并根据形貌特征将其分为Boussinesq-point-force crack(BPFC)、Hertzian-conical scratch(HCS)和Plastic indent(PI)三类,测试了各类划痕的损伤阈值,讨论了激光损伤机制。结果表明锐度较大的BPFC损伤阈值不超过2.0 J/cm<>2;深度小于1 μm的 HCS阈值可达2.6 J/cm²;形变较大的PI阈值至2.8 J/cm2,形变较小的PI的激光损伤阈值与无缺陷材料相当。BPFC 和深度超过1 μm的HCS是导致熔石英损伤阈值低的主要因素。     

高功率固体激光装置负载问题研究进展

高功率固体激光装置的负载问题是制约装置建设与运行的瓶颈问题。在高通量紫外纳秒激光辐照下,熔石英后表面的损伤不断产生和增长,严重限制了装置的负载能力。在提升熔石英抗损伤性能的基础上修复既有损伤,循环使用光学元件,是现阶段提升装置负载能力的主要手段。主要介绍了国内外近年来在熔石英损伤的规律与机制、光学元件循环处理的支撑技术以及提升负载能力的新材料与新技术方面所取得的重要进展。     

短脉冲激光辐照下金属镜面波纹损伤机理研究

用脉冲Nd：YAG激光(波长1．06μm、半高宽10ns)辐照了多种金属膜层镜面，用光学与原子力显微镜观察到某些样品损伤区或周围有规律的波纹图案，波纹周期从几微米到几十微米。通过分析实验结果，这里提出了波纹产生的光学模型，认为光路系统中某些元件的衍射或者强光与元件表面相互作用过程中产生的干涉可能会导致元件表面波纹状损伤图案。通过理论计算，初步解释了实验中波纹的周期和其他现象。     

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。