HfO2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的Piranha溶液清洗

为了提高HfO2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅（PCG）的抗激光损伤性能,使用Piranha溶液（浓硫酸和双氧水的混合液）清洗PCG去除其制作工艺和使用过程中残留在表面的污染物,包括CHF3作为工作气体对HfO2进行反应离子束刻蚀生成的碳氟化合物及金属氟化物。对Piranha溶液的清洗温度、组成成分、清洗时间、清洗遍数等参数进行了系统研究,用扫描电子显微镜（SEM）观察清洗前后的PCG表面形貌,用X射线光电子能谱仪（XPS）检测清洗前后PCG表面的元素成分及其原子分数的变化,并分析了各残留污染物的去除机理。实验结果表明：Piranha溶液能有效去除PCG表面污染物,而且清洗温度越高,清洗遍数越多,对PCG表面残留污染物的去除效果越显著。在90 ℃下60 min有效活性时间内,使用浓硫酸和双氧水体积比为2∶1的Piranha溶液清洗3遍以上,PCG表面残留的F元素的原子分数接近0.1%（XPS的分辨极限）,达到良好的清洗效果。     

HfO2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的Piranha溶液清洗

为了提高HfO2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅(PCG)的抗激光损伤性能,使用Piranha溶液(浓硫酸和双氧水的混合液)清洗PCG去除其制作工艺和使用过程中残留在表面的污染物,包括CHF3作为工作气体对HfO2进行反应离子束刻蚀生成的碳氟化合物及金属氟化物.对Piranha溶液的清洗温度、组成成分、清洗时间、清洗遍数等参...     

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。     

HfO2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀

多层介质膜光栅是高功率激光系统的关键光学元件. 为了满足国内强激光系统的迫切需求,首先利用考夫曼型离子束刻蚀机开展了HfO₂顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀实验研究. 采用纯Ar及Ar和CHF₃混合气体作为工作气体进行离子束刻蚀实验,获得了优化的离子源工作参数. 结果表明,与纯Ar离子束刻蚀相比,Ar和CHF₃混合气体离子束刻蚀时的HfO₂/光刻胶的选择比大. HfO₂的离子束刻蚀过程中再沉积效应明显,导致刻蚀光栅占宽比变大. 根据刻蚀速率分布制作的掩模遮挡板可以提高刻蚀速率均匀性,及时清洗离子源和更换灯丝,可保证刻蚀工艺的重复性. 利用上述技术已成功研制出多块最大尺寸为80 mm×150 mm、线密度1480线/mm、平均衍射效率大于95%的HfO₂顶层多层介质膜脉宽压缩光栅. 实验结果与理论设计一致,为大口径多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀提供了有益参考. 关键词： 光栅 多层介质膜 离子束刻蚀     

脉宽压缩光栅用的多层膜设计和性能分析

应用于啁啾脉冲放大技术中的脉宽压缩光栅是基于多层膜作为基底,利用全息干涉技术和离子束技术刻蚀而成。脉宽压缩光栅的衍射效率和抗激光损伤阈值一方面依赖于光栅结构的设计,另一方面很大程度上取决于作为基底的多层膜的设计。给出了以413.1nm作为写入波长,1053nm作为使用波长的多层介质光栅膜的设计,样品在ZZS-800F型真空镀膜机上采用电子束蒸发方式沉积而成,并给出了膜系结构对光学性能影响因素的详细分析,结果表明膜系H3L(H2L)9H0.5L2.03H满足光栅膜的指标。给出了样品光学特性测试,其使用波长处的透射率<0.5%,写入波长处的透射率>90%,测试表明样品满足设计要求且实验结果和理论设计符合得很好。     

多层介质膜脉宽压缩光栅的严格矢量分析

用于展宽和压缩激光脉冲的多层膜脉宽压缩光栅是由多层介质高反膜和位于其顶层的浮雕光栅构成。以设计的高反射多层膜为基础,利用傅里叶模式理论分析了其衍射场分布,给出了TE波自准直角入射的使用条件下,多层介质膜脉宽压缩光栅衍射效率的表达式。以-1级衍射效率为评价函数,分别讨论了HfO2和SiO2为顶层材料时,多层膜脉宽压缩光栅-1级衍射效率高于0.95的光栅结构参量范围。结果表明,在该条件下,选择HfO2为顶层材料时,光栅结构参量有较大的取值范围。给出了优化的光栅结构参量,并分析了光栅制作误差及其使用条件的宽容度,对光栅制作工艺和使用具有一定的指导意义。     

宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅设计和性能分析

基于飞秒激光对脉宽压缩光栅宽光谱和高衍射效率的要求,提出了一种金属介质膜结构的宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅,该光栅由基底、金属介质膜和表面浮雕结构组成.为获得宽光谱高衍射效率的脉宽压缩光栅,采用严格耦合波理论对金属介质膜光栅的结构参数进行优化设计.数值分析表明当金属介质光栅的槽深、剩余厚度、占空比和入射角分别为272 ...     

飞秒激光用多层介质膜脉宽压缩光栅的设计

以薄膜光学的干涉理论和衍射光学的傅里叶模式理论为基础，给出了0.8μm飞秒激光器用多层介质膜脉宽压缩光栅的理论设计；设计采用H3L(HL)^9H0.5L2.4H的多层介质膜为基底，当刻蚀后表面浮雕结构的占宽比为0.35，线密度为1480线/mm，槽深为0.2μm，顶层HfO₂的剩余厚度为0.15μm时，对于Littrow角度(36.7°)和TE波模式入射的衍射光栅其-1级衍射效率达到95％以上. 关键词： 飞秒激光 脉宽压缩光栅 多层介质膜     

清洗对偏振分光膜损伤阈值的影响

采用微分干涉显微镜、扫描电镜和聚焦离子束观察了偏振分光膜损伤的形貌,从损伤机理出发,研究了清洗对偏振分光膜损伤阈值的影响。结果表明：清洗能有效去除表面杂质,清洗质量越好,基板上的杂质尺寸越小,杂质密度也越小,相应的偏振分光膜S光的损伤阈值越高;清洗能有效去除基板表面的纳米吸收中心,吸收性杂质分布密度越小,吸收峰越低,P光的损伤阈值越高。     

超声清洗与激光预处理对减反膜阈值的影响

 研究了超声清洗和激光预处理两种后处理手段对减反膜的损伤特性的影响。采用电子束蒸发技术制备了1 064 nm减反膜,利用超声清洗及激光预处理的方法分别对样品进行处理,并对处理前后的样品分别进行激光损伤阈值测试及破斑深度测量。结果表明：处理后减反膜的损伤阈值均有所提升,但激光预处理的阈值增强效果更加明显;超声清洗前后的破斑深度没有大的变化,而激光预处理后的破斑深度比处理前浅得多;原因在于超声清洗只能去除表面杂质,激光预处理可减少和抑制膜层内较深处的缺陷。     

Optimization of near-field optical field of multi-layer dielectric gratings for pulse compressor

Multi-layer dielectric (MLD) gratings for pulse compressors in high-energy laser systems should provide high diffraction efficiency as well as high laser induced damage thresholds (LIDT). Nonuniform optical near-field distribution is one of the important factors to limit their damage resistant capabilities. Electric field distributions in the gratings and multi-layer film region are analyzed by using Fourier modal method. Optimization of peak electric field in the gratings ridge is performed with a merit function, including both diffraction efficiency and electric field enhancement when the top layer material is HfO₂ and SiO₂, respectively. A set of optimized gratings parameters is obtained for each structure, which reduce the peak electric field within the gratings ridge to being respective 1.39 and 1.84 times the value of incident light respectively. Finally, we also discuss the effects of gratings refractive index, gratings sidewall angle and incident angle on peak electric field in the gratings ridge.     

碳纤维复合材料的激光清洗等离子体光谱在线检测研究

近年来碳纤维复合材料（CFRP）由于性能优异,受到工业领域广泛关注。采用激光清洗技术预处理碳纤维复合材料表面的污染物和环氧树脂等杂质,有利于改善碳纤维复合材料表面性能,提高碳纤维复合材料胶接界面的结合强度。在线检测激光清洗过程,实时判断碳纤维复合材料的表面清洗质量,是保证激光清洗效果的关键环节,也是激光清洗装置自动化、集成化的核心技术。激光诱导等离子体光谱技术可以快速分析材料表面元素变化,实现在线检测激光清洗表面状态,在激光清洗领域有很广的应用前景。采用Nd∶YAG高能量脉冲激光器产生的1 064 nm激光在空气环境中诱导产生等离子体,利用改进型光栅光谱仪(ME5000)获取等离子体光谱,在线检测激光清洗碳纤维复合材料。研究外界空气环境对等离子体光谱检测结果的影响,发现350~700 nm波段的元素谱线可用于碳纤维复合材料表面物质成分分析;采用电子扫描显微镜观测的激光清洗表面形貌和X射线电子能谱仪测得的元素变化共同表征等离子体光谱检测的有效性,通过采集不同激光能量以及不同作用次数的等离子体光谱图,获得碳纤维复合材料表层树脂物质通过激光单次清洗干净的阈值,研究激光清洗质量与激光诱导等离子体谱线成分及其强度变化的关系。结果表明：在获取的激光诱导等离子体光谱中,光谱图中谱线波长在393.3 nm的S(Ⅱ)和589.5 nm的S(Ⅱ)谱线可有效在线表征碳纤维复合材料表面清洗质量;激光单次去除干净表面环氧树脂的阈值为10.68 mJ;低激光能量时需要清洗多次可以去除干净表面树脂;高激光能量时清洗单次可使表面树脂去除干净,多次清洗易造成基体损伤。实验结果为激光清洗碳纤维复合材料的智能集成化应用提供工艺依据和技术支持。     

激光等离子体去除微纳颗粒的热力学研究

微杂质污染一直是影响精密器件制造质量和使用寿命的关键因素之一.对于微纳米杂质颗粒用传统的清洗方式(超声清洗等)难以去除,而激光等离子体冲击波具有高压特性,可以实现纳米量级杂质颗粒的去除,具有很大的应用潜力.本文主要研究了激光等离子体去除微纳米颗粒过程中的热力学效应:实验研究了激光等离子体在不同脉冲数下对Si基底上Al颗粒去除后的颗粒形貌变化,发现大颗粒会发生破碎而转变成小颗粒,一些颗粒达到熔点后发生相变形成光滑球体,这源于等离子体的热力学效应共同作用的结果.为了研究微粒物态转化过程,基于冲击波传播理论研究,得到冲击波压强与温度特性的演化规律;同时,利用有限元模拟方式研究激光等离子冲击波压强和温度对微粒作用规律,得到了颗粒内随时间变化的应力分布和温度分布,并在此基础上得到等离子体对颗粒的热力学作用机制.     

高功率激光装置大口径光学元件侧面清洗实验

针对高功率激光装置内部最易产生受激布里渊散射(SBS)效应的大口径取样光栅(BSG)元件,测试了经过化学刻蚀、紫外激光清洗作用处理后,大口径光学元件BSG侧面在355 nm激光辐照下的损伤阈值、损伤形态以及产生的石英颗粒气溶胶对环境污染程度的分析。结果表明:经过化学刻蚀,BSG侧面的损伤阈值提高78%,基本与通光面的损伤阈值相当,而经过紫外激光处理后的损伤阈值提升不高,仅为通光面损伤阈值的56%。侧面对比分析了相同激光能量辐照下样片侧面产生的气溶胶污染状况,结果表明紫外激光处理同样可以提高光学元件侧面产生污染物的阈值,且对光学元件性能没有影响。通过微观形貌和对通光口径影响分析表明,紫外激光清洗处理比化学刻蚀具有更好的安全性和适用性。     

高功率激光装置大口径光学元件侧面清洗实验

针对高功率激光装置内部最易产生受激布里渊散射(SBS)效应的大口径取样光栅(BSG)元件,测试了经过化学刻蚀、紫外激光清洗作用处理后,大口径光学元件BSG侧面在355 nm激光辐照下的损伤阈值、损伤形态以及产生的石英颗粒气溶胶对环境污染程度的分析。结果表明：经过化学刻蚀,BSG侧面的损伤阈值提高78%,基本与通光面的损伤阈值相当,而经过紫外激光处理后的损伤阈值提升不高,仅为通光面损伤阈值的56%。侧面对比分析了相同激光能量辐照下样片侧面产生的气溶胶污染状况,结果表明紫外激光处理同样可以提高光学元件侧面产生污染物的阈值,且对光学元件性能没有影响。通过微观形貌和对通光口径影响分析表明,紫外激光清洗处理比化学刻蚀具有更好的安全性和适用性。     

酸蚀与紫外激光预处理结合提高熔石英损伤阈值

采用HF酸刻蚀和紫外激光预处理相结合的方式提升熔石英元件的负载能力,用质量分数为1%的HF缓冲溶液对熔石英刻蚀1~100 min,综合透过率、粗糙度和损伤阈值测试结果,发现刻蚀时间为10min的熔石英抗损伤能力最佳。采用355 nm紫外激光对HF酸刻蚀10 min的熔石英进行预处理,结果表明:紫外预处理能量密度在熔石英零损伤阈值的60%以下时,激光损伤阈值单调递增;能量到达80%时,阈值反而低于原始样片的损伤阈值。适当地控制酸蚀时间和紫外激光预处理参数能有效提高熔石英的抗损伤能力。