纳秒激光诱导K9光学元件体损伤增长特性

针对激光诱导K9玻璃元件体损伤问题,利用在线成像技术获得激光诱导体损伤时的侧面和正面图像,并分析体损伤中成丝损伤的特点及成丝损伤中成核损伤和裂纹对损伤增长的影响。结果表明,当激光辐照能量大于体损伤阈值时,体损伤会以成丝损伤、成核损伤及损伤增长的形式出现,但只有最靠近入射激光方向的成核损伤点会在后续激光辐照下出现持续增长现象。成核损伤在损伤增长过程中的裂纹更多向纵向和逆激光传播方向扩展。同时,在相同能量的激光辐照下,损伤面积的增长强烈依赖于成丝损伤点的长度,且从侧面方向观察到的损伤点的损伤增长系数大于从正面方向观察到的。研究结果为对K9玻璃元件体损伤及其在后续激光辐照下的损伤增长规律研究提供了参考性。     

355 nm纳秒紫外激光辐照下熔石英前后表面损伤的对比研究

为了理解前后表面损伤不对称性的物理内涵, 利用阴影成像技术研究了纳秒紫外激光诱使熔石英光学元件表面损伤的时间分辨动力学过程.研究表明,纳秒紫外激光与熔石英作用过程中前后表面损伤的物理机理是完全不同的.前表面处空气中等离子体和冲击波较强, 等离子体的屏蔽作用抑制了余脉冲能量的沉积, 降低了元件损伤程度.而后表面处等离子体吸收激光能量膨胀, 对后表面冲击作用更为严重, 形成的等离子体电子密度可达到10²³cm^-3以上, 反射部分激光能量与入射的激光余脉冲干涉, 使得 关键词： 熔石英 激光诱使损伤 阴影成像技术 光学元件表面     

纳秒激光诱导损伤熔石英玻璃的动力学过程

采用超快时间分辨阴影成像技术研究了纳秒激光诱导损伤熔石英玻璃前后表面和体内的动力学过程,对比分析了前后表面和体内的损伤差异及损伤机制。在前表面,观察了空气和材料中的等离子体和冲击波的产生与发展过程;亚纳秒激光辐照下,前表面材料内观察到三个应力波,并观察到材料体内的损伤过程。在后表面,除观察到冲击波的产生与发展过程,还观察到表面物质的烧蚀去除与喷发过程。在材料内部,损伤由自聚焦和点缺陷吸收两种机制主导,而且点缺陷吸收诱导材料体内损伤有时间先后顺序。     

纳秒激光诱导熔石英光学玻璃的损伤增长

利用Nd:YAG激光器研究了纳秒激光诱导熔石英光学玻璃的初始损伤及损伤增长,对比研究了损伤程度和损伤形貌随激光波长、能量密度、脉冲数及位置的变化规律,并对损伤机制进行了分析和讨论。研究结果表明：初始损伤受损伤先驱的物理化学性质和激光参数的影响,而损伤增长规律与初始损伤程度、激光参数和位置有关;后表面的损伤随脉冲数的增加呈指数关系增长,前表面则呈线性关系;裂纹的产生及其在后续脉冲辐照下的发展是后表面损伤增长的主要原因,高温等离子体表面刻蚀是前表面损伤增长的主要原因     

纳秒激光诱导熔石英光学玻璃的损伤增长

利用Nd:YAG激光器研究了纳秒激光诱导熔石英光学玻璃的初始损伤及损伤增长,对比研究了损伤程度和损伤形貌随激光波长、能量密度、脉冲数及位置的变化规律,并对损伤机制进行了分析和讨论。研究结果表明:初始损伤受损伤先驱的物理化学性质和激光参数的影响,而损伤增长规律与初始损伤程度、激光参数和位置有关;后表面的损伤随脉冲数的增加呈指数关系增长,前表面则呈线性关系;裂纹的产生及其在后续脉冲辐照下的发展是后表面损伤增长的主要原因,高温等离子体表面刻蚀是前表面损伤增长的主要原因     

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。     

激光诱导HF酸刻蚀后熔石英后表面划痕的损伤行为研究

用光学显微镜和原子力显微镜记录HF酸刻蚀后熔石英元件后表面划痕的形貌结构,并利用单脉冲激光对其进行辐照测试,以研究不同结构参数划痕的激光损伤特性.实验结果表明,由于HF酸的腐蚀钝化作用,划痕结构横向截面呈余弦形分布;其初始损伤阈值并非由单一的划痕宽度或深度参数决定,而是与其横向剖面结构的宽深比值密切相关;通过实验得到了二者之间的关系曲线,并采用时域有限差分算法对不同结构参数划痕附近光场分布进行理论模拟,理论场计算得到的增强结果与实验值符合得很好.     

激光诱导光学材料后表面损伤的数值模拟

 采用3维时域有限差分方法和完全匹配吸收层,模拟了长方体缺陷在熔石英前后表面时对入射激光为TM波的调制作用,绘出了截面上的电场强度分布及最大电场强度随熔石英深度变化的曲线,并进行了比较和分析。结果表明：缺陷在前表面上时,后表面附近的最大电场强度2.522 41 V/m大于缺陷附近的1958 83 V/m;缺陷在后表面上时,材料中的最大电场强度为2.799 38 V/m,且出现在后表面附近。无论该缺陷在前表面还是在后表面,最大电场强度都是出现在后表面附近,表明光学材料的后表面在一定程度上更容易被损伤。     

激光诱导光学材料后表面损伤的数值模拟

采用3维时域有限差分方法和完全匹配吸收层,模拟了长方体缺陷在熔石英前后表面时对入射激光为TM波的调制作用,绘出了截面上的电场强度分布及最大电场强度随熔石英深度变化的曲线,并进行了比较和分析。结果表明：缺陷在前表面上时,后表面附近的最大电场强度2.522 41 V/m大于缺陷附近的1958 83 V/m;缺陷在后表面上时,材料中的最大电场强度为2.799 38 V/m,且出现在后表面附近。无论该缺陷在前表面还是在后表面,最大电场强度都是出现在后表面附近,表明光学材料的后表面在一定程度上更容易被损伤。     

磨削加工光学元件亚表面损伤探究

对磨削加工的K9材料试件进行亚表面损伤探究,分析磨削加工产生亚表面损伤的原因。分别用亚表面损伤深度预测法、分阶刻蚀法预测和检测元件亚表面损伤深度,并分析切深、工作台进给速度、砂轮转速等参数对亚表面损伤深度的影响。研究表明,分阶刻蚀法直观有效,与亚表面损伤深度预测法的结果一致性较好。在本文实验条件下,自行加工K9试件的亚表面损伤深度随切深增大而加深,随工作台进给速度增大而有所增加,砂轮转速对亚表面损伤深度影响并不明显。     

磨削加工光学元件亚表面损伤探究

对磨削加工的K9材料试件进行亚表面损伤探究,分析磨削加工产生亚表面损伤的原因。分别用亚表面损伤深度预测法、分阶刻蚀法预测和检测元件亚表面损伤深度,并分析切深、工作台进给速度、砂轮转速等参数对亚表面损伤深度的影响。研究表明,分阶刻蚀法直观有效,与亚表面损伤深度预测法的结果一致性较好。在本文实验条件下,自行加工K9试件的亚表面损伤深度随切深增大而加深,随工作台进给速度增大而有所增加,砂轮转速对亚表面损伤深度影响并不明显。     

光学元件的激光损伤问题

光学元件是各类激光系统不可或缺的光学功能实现部件,其性能决定了激光系统的输出能力和光束质量。光学元件的激光损伤问题从激光发明起就一直伴随着激光技术的发展,随着激光新技术的发展和激光新应用的牵引,激光的波段、脉冲宽度以及重复频率等参数不断拓宽,使得激光损伤问题更加复杂,但万变不离其宗,激光损伤问题的核心是光学元件或光学材料对激光的吸收机制问题。从激光与光学材料相互作用的基本原理出发,以惯性约束聚变（ICF）激光驱动器应用的典型光学材料和光学元件为研究对象,回顾了针对光学元件的激光损伤问题开展的科研工作,总结了在此期间形成的关键技术和里程碑进展,同时也对依然困扰该领域的几类光学元件存在的问题瓶颈以及进一步研究发展趋势进行了展望。     

光学元件损伤在线检测中的图像处理

利用在传统的边缘提取方法上加入灰度抑制,并在梯度计算中考虑每个像素与周围8个邻域的关系的图像处理方法,解决了在线检测中被检测元件以布儒斯特角放置、元件片数较多、CCD所采集的损伤图像噪声成分复杂等造成的像质较差的图像处理问题,并系统地进行了光学元件疵点分析和计算。分析计算结果表明:此图像处理方法得到的损伤疵点尺寸与实际尺寸相符,误差在检测的范围内;为大型光学系统中光学元件损伤的在线、自动化检测提供了一种有用的技术途径。     

光学元件损伤在线检测中的图像处理

 利用在传统的边缘提取方法上加入灰度抑制,并在梯度计算中考虑每个像素与周围8个邻域的关系的图像处理方法,解决了在线检测中被检测元件以布儒斯特角放置、元件片数较多、CCD所采集的损伤图像噪声成分复杂等造成的像质较差的图像处理问题,并系统地进行了光学元件疵点分析和计算。分析计算结果表明:此图像处理方法得到的损伤疵点尺寸与实际尺寸相符,误差在检测的范围内;为大型光学系统中光学元件损伤的在线、自动化检测提供了一种有用的技术途径。     

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。     

光学元件损伤在线检测装置及实验研究

利用暗场成像原理,研制成功一套应用于大型激光装置的光学元件损伤在线检测装置,并在多程放大系统上进行了实验研究。与传统的检测手段相比,该检测装置可以实现对光学系统的在线检测,并可对损伤点的图像进行分析处理,最后提出通过减小像差和扩大检测范围的方法来改进该装置的检测效果。     

光学元件损伤在线检测装置及实验研究

 利用暗场成像原理，研制成功一套应用于大型激光装置的光学元件损伤在线检测装置，并在多程放大系统上进行了实验研究。与传统的检测手段相比，该检测装置可以实现对光学系统的在线检测，并可对损伤点的图像进行分析处理，最后提出通过减小像差和扩大检测范围的方法来改进该装置的检测效果。     

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。     

短脉冲激光诱导薄膜损伤的等离子体爆炸过程分析

短脉冲激光诱导薄膜材料损伤过程的研究通常止于薄膜材料发生喷溅.超热喷溅物质吸收剩余激光脉冲能量将形成剧烈的等离子体爆炸过程.采用两步数值计算方法处理等离子体微滴的爆炸过程,即在每一个数值计算时间步长内,将爆炸过程分为两步,第一步处理微滴的绝热膨胀及裂解过程;第二步处理微滴对激光脉冲能量的吸收过程.有效地将微滴吸收激光能量的物理学过程与爆炸动力学过程耦合到一起.分析了喷溅物质微滴在剩余激光脉冲作用下,其半径、膨胀（加）速度、裂解（加）速度、电子及离子的密度与温度等参量随时间变化的演化情况.结果表明：材料喷溅 关键词： 光学薄膜 激光损伤 等离子体 爆炸