划痕缺陷对熔融石英光诱导损伤特性的影响分析

激光辐照光学材料时,经后表面反射的部分光束与入射光束干涉,在材料内部形成驻波场.若材料表面存在缺陷,缺陷会对入射光进行调制,导致材料内驻波场分布不再均匀,局部区域光强增大.为分析光学材料的场损伤特性,建立了一个划痕缺陷影响下的光学材料损伤分析模型.从电子增值理论出发,分析了划痕数量及其所在位置对材料驻波场和损伤特性的影响,并针对熔融石英材料进行了具体计算.结果表明,在入射光场不变的前提下,随着划痕数量增加,对光场的调制作用增强,材料内部驻波场的最大场强增大,熔融石英损伤阈值降低.相对亚表面和后表面划痕缺陷而言,材料上表面的缺陷对光场具有最大的调制作用,因此更容易导致材料损伤.     

材料表面缺陷对激光热损伤的影响

建立了激光辐照下光学表面典型锥状缺陷的热损伤分析模型,基于有限差分方法计算了典型缺陷附近的调制光场和温度场分布,得出了缺陷对材料热损伤阈值的影响规律。结果表明,热损伤阈值与入射激光的波长呈正相关,与缺陷的尺寸呈负相关。同一波长激光辐照的情况下,材料表面有1个缺陷存在时,热损伤首先发生在缺陷处,而当多个缺陷存在时,热损伤首先发生在2个缺陷的中间区域,并且多个缺陷要比单个缺陷更易造成损伤;对于不同波长的辐照激光来说,波长为800nm的激光要比波长为1064nm的激光更容易使材料产生损伤。     

熔石英亚表面三维Hertz锥形划痕附近光强分布的数值模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的调制是导致光学材料损伤的主要因素.本文建立了熔石英后表面上三维Hertz锥形划痕模型,采用三维时域有限差分方法对划痕周围的电场强度进行了计算模拟,并分别讨论了划痕的深度、半径以及倾斜角度对入射光场调制作用的影响.结果表明：Hertz锥形划痕中心区域的电场增强效果最明显,最容易被辐照损伤;划痕的深度从λ变化到9.5λ的过程中,熔石英内的最大电场强度逐渐增大;半径小于15λ的Hertz锥形划痕较容易引起熔石英的损伤,当半径大于175λ时,熔石英内的最大电场强度都维持在2.5 V/m,不再受半径大小影响;当入射激光在划痕的内侧界面和熔石英后表面之间发生内全反射时,光场增强效果愈加明显. 关键词： 三维时域有限差分 Hertz锥形划痕 电场分布 数值模拟     

CO_2激光光栅式扫描修复熔石英表面缺陷的实验研究与数值模拟

基于熔石英材料对波长为10.6μm的CO2激光具有强吸收作用这一特点,提出采用CO2激光光栅式多次扫描修复熔石英光学元件表面密集分布的划痕和抛光点等缺陷的方法.实验结果表明,在合理的扫描参数下,元件表面的划痕和抛光点等缺陷可被充分地消除.损伤阈值测试结果表明,表面划痕和抛光点等缺陷被完全消除的元件的损伤阈值可回复到或超过基底的损伤阈值.同时结合有限元软件Ansys的模拟结果分析了CO2激光扫描修复及消除元件表面划痕和抛光点等缺陷的过程.本文为消除元件表面划痕和抛光点等缺陷提供了非常有意义的参考.     

横向划痕对光场调制的近场模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的近场调制是导致光学元件低阈值损伤的主要因素之一. 用三维时域有限差分方法研究了连续横向划痕的近场分布, 对比了尖锐截面与光滑截面场调制的差异, 着重探讨了光场调制与划痕宽深比R的关系. 研究表明: 酸蚀后的光滑截面有助于减弱近场调制, 这类划痕的R>10.0时调制较弱且相互接近, R<5.0时调制显著增强. 当R取1---3时, 亚表面的调制达最大值, 最大电场幅值为入射波幅值的4.3倍. 当R取1.0---3.5时, 缺陷附近有80%以上取样点的最大电场幅值超过入射波幅值的2倍. 随着深度的增大, 强场区具有明显的"趋肤效应": 位于划痕正下方的强场区首先往左右两侧移动, 然后移向抛物口界面以及水平界面, 同时衍生出的多条增强线诱导整个亚表面层的光场增强.     

熔石英亚表面三维Hertz锥形划痕附近光强分布的数值模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的调制是导致光学材料损伤的主要因素.本文建立了熔石英后表面上三维Hertz锥形划痕模型,采用三维时域有限差分方法对划痕周围的电场强度进行了计算模拟,并分别讨论了划痕的深度、半径以及倾斜角度对入射光场调制作用的影响.结果表明：Hertz锥形划痕中心区域的电场增强效果最明显,最容易被辐照损伤;划痕的深度从λ变化到9.5λ的过程中,熔石英内的最大电场强度逐渐增大;半径小于15λ的Hertz锥形划痕较容易引起熔石英的损伤,当半径大于175λ时,熔石英内的最大电场强度都维持在2.5 V/m,不再受半径大小影响;当入射激光在划痕的内侧界面和熔石英后表面之间发生内全反射时,光场增强效果愈加明显.     

熔石英亚表面横向划痕调制作用的3维模拟

建立了熔石英后表面3维横向划痕模型,并采用3维时域有限差分方法对熔石英亚表面划痕周围的电场强度进行了数值模拟,分析了划痕宽度、深度、长度以及划痕倾斜角度对入射光场的调制作用,结果表明:随划痕深度和划痕长度的增加,熔石英内的最大电场强度增大,且当划痕长度达到1μm以上时,最大电场强度趋于稳定;划痕结构因子在1~2之间的划痕较容易引起熔石英损伤;而入射激光在划痕界面和后表面之间发生内全反射时,后表面上的光强增强效果更加明显,因此减少角度范围在20.9°~45°之内的划痕能大幅提高熔石英的损伤阈值。     

HF酸刻蚀提升熔石英亚表面划痕抗损伤性能的机理

用HF酸刻蚀熔石英元件,研究刻蚀对元件后表面划痕的形貌结构及损伤性能的影响,探索损伤阈值提升的原因.时域有限差分算法理论计算结果表明:对于含有50 nm直径氧化锆颗粒的划痕,对入射光调制引发场增强的最大值是入射光强的6.1倍,且最强点位于划痕内部氧化锆颗粒附近,而结构相同但不含杂质的划痕引发的最大场增强为入射光强的3.6倍,最强区位于划痕外围;HF酸刻蚀能够有效去除划痕中的杂质,改变划痕结构,增加其宽深比值,经刻蚀的划痕对入射光调制引发场增强降低到入射光强的2.2倍.实验结果表明,经过深度刻蚀的划痕初始损伤阈值较刻蚀之前提高一倍多;光热弱吸收测试仪测试刻蚀后划痕对1 064 nm激光的吸收最大值仅为230 ppm.HF酸刻蚀同时可以提升元件整体损伤阈值,由于元件上无缺陷区域损伤阈值随刻蚀的深入先增加后降低,因此HF酸刻蚀应进行到元件损伤阈值提升到最大值为止.     

HF酸刻蚀提升熔石英亚表面划痕抗损伤性能的机理

用HF酸刻蚀熔石英元件,研究刻蚀对元件后表面划痕的形貌结构及损伤性能的影响,探索损伤阈值提升的原因.时域有限差分算法理论计算结果表明:对于含有50nm直径氧化锆颗粒的划痕,对入射光调制引发场增强的最大值是入射光强的6.1倍,且最强点位于划痕内部氧化锆颗粒附近,而结构相同但不含杂质的划痕引发的最大场增强为入射光强的3.6倍,最强区位于划痕外围;HF酸刻蚀能够有效去除划痕中的杂质,改变划痕结构,增加其宽深比值,经刻蚀的划痕对入射光调制引发场增强降低到入射光强的2.2倍.实验结果表明,经过深度刻蚀的划痕初始损伤阈值较刻蚀之前提高一倍多;光热弱吸收测试仪测试刻蚀后划痕对1 064nm激光的吸收最大值仅为230ppm.HF酸刻蚀同时可以提升元件整体损伤阈值,由于元件上无缺陷区域损伤阈值随刻蚀的深入先增加后降低,因此HF酸刻蚀应进行到元件损伤阈值提升到最大值为止.     

紫外准分子激光损伤典型光学材料的特性分析

根据已经建立的紫外准分子激光损伤典型光学材料的理论模型,研究了准分子激光对透明光学材料（石英玻璃）和非透明光学材料（K9玻璃）的损伤特性,并结合实验结果证实了理论模型的有效性。研究表明：在准分子激光对非透明光学材料辐照下,激光光斑半径越大,产生的热应力和温度越小;脉宽越小,产生的热应力越大;随着脉冲数的增加,温度和热应力都逐渐增大。值得注意的是,当重频增加至45 Hz以上时,熔融损伤阈值开始低于应力损伤阈值,这说明当重频增加到一定程度时,非透明光学材料将首先产生熔融损伤,而不再是应力损伤。在准分子激光对透明光学材料辐照下,杂质微粒的半径和掩埋深度对光学材料温度场分布有着重要影响。但当杂质半径和掩埋深度超过一定的数值时,杂质粒子的存在与表面温度并无联系。理论模型能够较好地解释石英玻璃前/后表面相同的初始损伤形貌特征。     

光学元件的表面划痕及其对入射激光的调制作用

 对光学元件表面划痕进行了细致的观察,并将它们分为单划痕、双划痕和多划痕三类,采用时域有限差分方法,以加工过程中常见的直径为二分之一波长的半圆形划痕为基本研究对象,数值模拟了位于光学元件前后表面的多条划痕附近的空间光强分布,总结了在不同划痕条数下光强最大值随着划痕间距变化的曲线图。结果表明：位于光学元件后表面的划痕比位于前表面时更加容易引起光学损伤;在多条划痕情况下,空间光强最大值随着划痕间距的增大呈周期性变化,并随着划痕间距的不断增大而趋于一稳定数值。     

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     

Laser induced damage in GaAs at 1.06 μm wavelength: surface effects

An experimental study of single shot damage to monocrystal GaAs by a free running laser pulse of 1.06 μm wavelength is described. In order to see the role of surface effects on laser induced damage, samples of different surface finish were prepared. The laser induced damage threshold (LIDT) of lapped GaAs samples is considerably lower than that of the mirror polished samples (ratio ). Damage threshold results are analysed in terms of a thermal model incorporating the temperature dependent thermal and optical parameters of GaAs. The combined effect of the enhanced surface absorption and high surface recombination velocity of photo-excited carriers significantly enhances the surface temperature rise and reduces the damage threshold value of GaAs. The evolution of damage morphology is governed by the mechanical damage caused due to the polishing process.     

Removal of scratch on the surface of MgO single crystal substrate in chemical mechanical polishing process

Etching and chemical mechanical polishing (CMP) experiments of the MgO single crystal substrate with an artificial scratch on its surface are respectively performed with the developed polishing slurry mainly containing 2 vol.% phosphoric acid (H₃PO₄) and 10-20 nm colloidal silica particles, through observing the variations of the scratch topography on the substrate surface in experiments process, the mechanism and effect of removing scratch during etching and polishing are studied, some evaluating indexes for effect of removing scratch are presented. Finally, chemical mechanical polishing experiments of the MgO substrates after lapped are conducted by using different kinds of polishing pads, and influences of the polishing pad hardness on removal of the scratches on the MgO substrate surface are discussed.     

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。     

Experimental investigation on laser-induced surface damage threshold of Nd-doped phosphate glass

Nd-doped phosphate glass is the dominant amplifier material used in solid state high average power laser systems.Surface imperfection and subsurface damage(SSD)of the glass,resulting from the optical fabrica-tion process,limit the increment of laser system energy output.Thus,it is important to enhance the surface damage threshold of Nd-doped phosphate glass surface.The influence of abrasive size,polishing powder,grinding mode,and chemical treatment on the laser-induced damage threshold(LIDT)of Nd-doped phos-phate glass surface is investigated.Results show that the LIDT is affected little by different polishing powders and grinding modes.The LIDT correlates with the abrasive size,which produced different depths of SSD.A suitable acid etching treatment can remove the imperfection and the SSD for improving the LIDT of Nd-doped phosphate glass surface.The combination of several effective techniques and methods,which are low-cost and practical,should be useful to enhance the LIDT of Nd-doped phosphate glass surface.     

Laser-induced damage in InSb at 1.06 μm wavelength—a comparative study with Ge, Si and GaAs

This paper deals with the study of laser-induced damage in n-type single crystal InSb irradiated with a Nd: glass laser of 1.06 μm wavelength and 300 μs pulse duration. Samples of different surface quality were prepared by mechanical lapping and polishing by diamond paste. Evolution of damage morphological features observed at different power densities is discussed. Damage threshold results are analysed in terms of a thermal model taking into account the temperature dependence of various physical parameters and using the finite difference method of calculation. A comparative study of laser induced damage in InSb, Ge, Si and GaAs irradiated under similar conditions is also presented.     

Surface relief diffraction gratings fabricated in ZnSe by frequency doubled Nd:YAG laser micromachining

A novel and rapid laser ablation method for the fabrication of diffractive optical elements (DOE) in ZnSe that takes advantage of the relatively low intensity damage threshold of the material is presented. The structures were characterized in terms of their shape and diffraction efficiency at normal incidence under 10.6 μm radiation for TE and TM polarizations. Sample surface polishing as well as the possible effect of the melted zone and structural modification of the material around the ablated region on the power transmission capability of the grating are also discussed.