LF—11^#激光器升级倍频系统多层膜A：减反射膜

固体激光器装置升级扩展对薄膜研制提出了严重挑战。相互矛盾的各种技术指标必须匹配。就损耗、激光损伤阈值、光学技术指标和长期稳定性来讲，淀积工艺和镀膜材料的选取是至关重要的。特别地，ＬＦ一１１￣＃固体激光器升级对光学薄膜提出了许多新的性能要求。我们研制了ＬＦ一１１￣＃激光器升级所用各种薄膜元件。现分两部分讨论各种膜系研制情况。第一部分就是这篇论文所涉及的ＢＫ７玻璃，熔石英玻璃材料上的单波长，倍频双波长，二倍频、三倍频三波长减反射膜的研制。给出了膜系设计，淀积试验，光谱性能测试和激光损伤实验结果。     

LF—11激光装置的高效率倍频系统

本文介绍了LF—11激光装置高效率倍频系统的原理和结构,阐述了实现高效率倍频的各种技术途径,给出了倍频的转换效率,晶体的调谐半宽度以及基频激光和倍频激光的远场发散角,近场分布和时间波形等实验结果,利用该系统进行了0.53μm波长激光的ICF实验。     

高损伤阈值三倍频分离膜

设计了Nd：YAG激光用三倍频分离膜,膜层材料为SiO2和HfO2。经过优化,膜系在355 nm处的反射率在99%以上,在532 nm和1 064 nm处透射率也在99%以上。采用电子束蒸发技术,在熔融石英基底上制备了样品,经测量,制备的分离膜光学性能与设计值接近。分离膜在355 nm激光辐照下的损伤阈值为5.1 J/cm2,并用微分干涉显微镜表征了薄膜损伤形貌。     

高损伤阈值三倍频分离膜

 设计了Nd：YAG激光用三倍频分离膜,膜层材料为SiO₂和HfO₂。经过优化,膜系在355 nm处的反射率在99%以上,在532 nm和1 064 nm处透射率也在99%以上。采用电子束蒸发技术,在熔融石英基底上制备了样品,经测量,制备的分离膜光学性能与设计值接近。分离膜在355 nm激光辐照下的损伤阈值为5.1 J/cm²,并用微分干涉显微镜表征了薄膜损伤形貌。     

二极管激光侧面泵浦腔内倍频Nd：YAG板条激光器研究

用准连续６０Ｗ的二极管激光列阵侧面泵浦“之”字形Ｎｄ：ＹＡＧ板条激光器，当泵浦功率为４５Ｗ，脉宽为４００μｓ时，得到３．５ｍＪ的激光输出。用ＫＤ＊Ｐ电光开关调Ｑ，得到１８ｎｓ（ＦＷＨＭ）、２ｍＪ的脉冲激光输出，用ＫＴＰ晶体作腔内倍频，得到１５ｎｓ、０．８５ｍＪ的二次谐波激光输出。在腔内无调Ｑ元件且腔长小于５ｃｍ时，于近阈值处得到单频绿光输出，而当泵浦功率稍大，腔内有数个纵模振荡时，观察到激光的反相态，并用数值模拟的结果对此作了解释。     

多层介质膜光栅激光预处理

在N-on-1测试模式下研究了多层介质膜光栅的激光预处理效应。实验发现,激光预处理之后多层介质光栅膜的阈值能提高到处理前阈值的1.5~2.0倍。预处理机制可能是低能量密度激光辐照减少了光栅表面的污染物并降低了光栅表面的粗糙度。激光预处理可以作为优化光栅结构、酸洗等一系列提高多层介质膜光栅阈值方法的一个补充。     

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。     

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。     

ZrO2/ SiO2多层膜的化学法制备研究

 分别以ZrOCl₂·8H₂O 和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备了性能稳定的ZrO₂和SiO₂溶胶。用旋转镀膜法分别在K9玻璃和单晶硅片上制备了ZrO₂/ SiO₂多层膜。采用溶剂替换和紫外光处理等手段,有效地解决了ZrO₂/SiO₂多层膜中膜层开裂和膜间渗透等问题。应用扫描电子显微镜观测了薄膜的表面和剖面微观形貌,并用椭偏仪测得薄膜的厚度和折射率,研究了薄膜厚度、折射率与热处理温度、紫外光处理时间的关系,对所获得薄膜的紫外-可见、红外光谱进行了分析。用输出波长1064nm ,脉宽15ns 的电光调Q光系统产生的强激光进行了单层膜的辐照实验,结果发现溶剂替换后激光损伤阈值有所提高。     

ZrO2/ SiO2多层膜的化学法制备研究

分别以ZrOCl2·8H2O 和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备了性能稳定的ZrO2和SiO2溶胶。用旋转镀膜法分别在K9玻璃和单晶硅片上制备了ZrO2/ SiO2多层膜。采用溶剂替换和紫外光处理等手段,有效地解决了ZrO2/SiO2多层膜中膜层开裂和膜间渗透等问题。应用扫描电子显微镜观测了薄膜的表面和剖面微观形貌,并用椭偏仪测得薄膜的厚度和折射率,研究了薄膜厚度、折射率与热处理温度、紫外光处理时间的关系,对所获得薄膜的紫外-可见、红外光谱进行了分析。用输出波长1064nm ,脉宽15ns 的电光调Q光系统产生的强激光进行了单层膜的辐照实验,结果发现溶剂替换后激光损伤阈值有所提高。     

缓冲层对LBO晶体上1 064 nm,532 nm二倍频增透膜的激光损伤阈值的影响

采用电子束蒸发方法在LBO晶体上制备了无缓冲层和具有不同缓冲层的1 064 nm,532 nm二倍频增透膜.利用Lambda900分光光度计和调Q脉冲激光装置对样品的光学性能和抗激光损伤性能进行了测试分析.结果表明,所有样品在1 064 nm和532 nm波长的剩余反射率都分别小于0.1%和0.2%.与无缓冲层样品相比,采用SiO2和MgF2缓冲层薄膜的激光损伤阈值分别提高了23.1%和25.8%,而Al2O3缓冲层的插入却导致薄膜的激光损伤阈值降低.通过观察薄膜的激光损伤形貌,分析破斑的深度信息和电场分布,表明LBO晶体上1 064 nm,532 nm二倍频增透膜的激光损伤破坏主要表现为膜层剥落,激光产生的热冲击应力使薄膜应力发生很大变化,超过膜层之间的结合而引起膜层之间的分离.采用SiO2或MgF2缓冲层可改进Al2O3膜层的质量,从而有利于提高薄膜的激光损伤阈值.     

缓冲层对LiB3O5晶体上1064 nm,532 nm倍频增透膜性能的影响

采用电子束蒸发方法在LiB3O5(LBO)晶体上制备了无缓冲层和具有不同缓冲层的1064nm,532nm倍频增透膜。利用Lambda900分光光度计、MTS Nano Indenter纳米力学综合测试系统以及调Q脉冲激光装置对样品的光学性能、附着力和激光损伤阈值进行了测试分析。结果表明,所有样品在1064nm和532nm波长的剩余反射率都分别小于0.1%和0.2%。与无缓冲层样品相比,预镀Al2O3缓冲层的样品的附着力提高了43%,具有Si O2缓冲层的样品的附着力显著提高。激光损伤阈值分析表明,采用Si O2缓冲层改进了薄膜的抗激光损伤性能,但是Al2O3缓冲层的插入却导致薄膜的激光损伤阈值降低。     

缓冲层对LBO晶体上1 064 nm|532 nm二倍频增透膜的激光损伤阈值的影响

采用电子束蒸发方法在LBO晶体上制备了无缓冲层和具有不同缓冲层的1 064 nm,532 nm二倍频增透膜.利用Lambda900分光光度计和调Q脉冲激光装置对样品的光学性能和抗激光损伤性能进行了测试分析.结果表明,所有样品在1 064 nm和532 nm波长的剩余反射率都分别小于0.1％和0.2％.与无缓冲层样品相比,采用SiO2和MgF2缓冲层薄膜的激光损伤阈值分别提高了23.1％和25.8％,而Al2O3缓冲层的插入却导致薄膜的激光损伤阈值降低.通过观察薄膜的激光损伤形貌,分析破斑的深度信息和电场分布,表明LBO晶体上1 064 nm,532 nm二倍频增透膜的激光损伤破坏主要表现为膜层剥落,激光产生的热冲击应力使薄膜应力发生很大变化,超过膜层之间的结合而引起膜层之间的分离.采用SiO2或MgF2缓冲层可改进Al2O3膜层的质量,从而有利于提高薄膜的激光损伤阈值.     

调Q倍频Nd：YAG激光泵浦氧气和氧－氦混合气体的受激拉曼散射

报道了调Ｑ倍频Ｎｄ：ＹＡＧ激光泵浦的高压工业用氧气和氧－氦混合气体的受激拉曼散射特性，研究了一阶、二阶斯托克斯（Ｓｔｏｋｅｓ）光的能量转换效率与泵浦光的能量及气压的关系，并探讨了如何抑制氧气的二阶斯托克斯的产生等问题。     

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。     

PVP掺杂-ZrO2溶胶-凝胶工艺制备多层激光高反射膜的研究

以丙醇锆(ZrPr)为锆源,二乙醇胺(DEA)为络合剂,原位引入聚乙烯吡咯烷酮(PVP),在乙醇体系中成功地合成了PVP掺杂-ZrO2溶胶.采用旋涂法在K9玻璃基片上制备了PVP-ZrO2单层杂化薄膜.用不同掺杂量的PVP-ZrO2高折射率膜层与相同的SiO2低折射率膜层交替沉积四分之一波堆高反射膜.借助小角X射线散射研究胶体微结构,用红外光谱、原子力显微镜、紫外/可见/近红外透射光谱、椭圆偏振仪以及1064nm的强激光辐照实验对薄膜的结构、光学和抗激光损伤性能进行表征.研究发现,体系组成的适当配置可以在溶胶稳定的前提下实现ZrPr的充分水解,赋予薄膜良好的结构、光学和抗激光损伤性能.杂化体系中,DEA与ZrPr之间强的配合作用大大降低了ZrO2颗粒表面羟基的活性,使得PVP大分子只是以微弱的氢键与颗粒的表面羟基作用而均匀分散于ZrO2颗粒的周围,对颗粒的形成和生长无显著影响.因而在实验研究范围内,随PVP含量的增大,PVP-ZrO2杂化膜层的折射率和激光损伤阈值均无显著变化.但是,薄膜中均匀分布的PVP柔性链可以有效促进膜层应力松弛,显著削弱不同膜层之间的应力不匹配程度、大大方便多层光学薄膜的制备.当高折射率膜层中PVP的质量分数达到15%-20%时,膜层之间良好的应力匹配使得多层高反射膜的沉积周期数可达到10以上.沉积1O个周期的多层反射膜,在中心波长1064nm处透射率约为1.6%-2.1%,接近全反射特征,其激光损伤阈值为16.4-18.2J/cm2(脉冲宽度为1ns).     

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.     

PVP掺杂-ZrO2溶胶-凝胶工艺制备多层激光高反射膜的研究

以丙醇锆(ZrPr)为锆源，二乙醇胺(DEA)为络合剂，原位引入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，在乙醇体系中成功地合成了PVP掺杂-ZrO₂溶胶.采用旋涂法在K9玻璃基片上制备了PVP-ZrO₂单层杂化薄膜.用不同掺杂量的PVP-ZrO₂高折射率膜层与相同的SiO₂低折射率膜层交替沉积四分之一波堆高反射膜.借助小角X射线散射研究胶体微结构，用红外光谱、原子力显微镜、紫外/可见/近红外透射光谱、椭圆偏振仪以及1064nm的强激光辐照实验对薄膜的结构、光学和抗激光损伤性能进行表征.研究发现，体系组成的适当配置可以在溶胶稳定的前提下实现ZrPr的充分水解，赋予薄膜良好的结构、光学和抗激光损伤性能.杂化体系中，DEA与ZPr之间强的配合作用大大降低了ZrO₂颗粒表面羟基的活性，使得PVP大分子只是以微弱的氢键与颗粒的表面羟基作用而均匀分散于ZrO₂颗粒的周围，对颗粒的形成和生长无显著影响.因而在实验研究范围内，随PVP含量的增大，PVP-ZrO₂杂化膜层的折射率和激光损伤阈值均无显著变化.但是，薄膜中均匀分布的PVP柔性链可以有效促进膜层应力松弛，显著削弱不同膜层之间的应力不匹配程度、大大方便多层光学薄膜的制备.当高折射率膜层中PVP的质量分数达到15%—20%时，膜层之间良好的应力匹配使得多层高反射膜的沉积周期数可达到10以上.沉积10个周期的多层反射膜，在中心波长1064nm处透射率约为1.6%—2.1%，接近全反射特征，其激光损伤阈值为16.4—18.2J/cm²(脉冲宽度为1ns). 关键词： 溶胶-凝胶 2')" href="#">PVP-ZrO₂ 高反射膜 激光损伤