HfO2膜料中的杂质对薄膜损伤及性能的影响

通过对HfO2膜料中杂质元素的分析，找出了影响薄膜性能的主要杂质元素。结果表明：金属元素、吸收性介质元素的存在对薄膜的损毁有很大负面影响；在紫外波段，Zr元素含量大的薄膜吸收较大；并且提出负离子元素在膜料蒸发过程中形成气源中心，产生喷溅，从而使薄膜的损伤阈值降低。     

大口径传输反射镜的研究进展

针对我国惯性约束聚变装置(ICF)对高性能传输反射镜元件的性能要求,探索了大口径传输反射镜制备涉及的关键技术与工艺。深入开展了K9玻璃坯片研制、光学冷加工、传输反射镜镀膜和激光预处理等方面的研究工作。提出了400mm口径K9反射类坯片精密退火工艺,形成了高精度平面加工技术路线;制备了低缺陷薄膜,并且建立了大口径光学元件预处理装置。最后,综述了大口径高性能传输反射镜研制方面的主要成果。研制的400mm口径传输反射镜在1053nm处以45°入射时,其表面粗糙度优于99.8%,面形PV值小于λ/3(λ=1 053nm),损伤阈值大于30J/cm2(5ns)。基于提出的技术研制的大口径传输反射镜已成功应用于我国神光系列高功率激光装置,有力支撑了我国大型激光装置的稳定运行。     

激光预处理技术及其应用

回顾了国内在激光预处理技术研究方面取得的进展。综述了基于激光预处理技术提升基频介质膜、磷酸二氢钾/高掺氘磷酸二氢钾(KDP/DKDP)晶体等光学元件抗激光损伤性能的机理、效果和关键技术。针对高功率激光驱动器中关键光学元件激光负载能力的提高,建立了大口径光学元件激光预处理平台,实现了基频介质膜元件的激光预处理工程化作业。比较了纳秒和亚纳秒脉冲宽度激光对DKDP晶体损伤性能的影响。基于亚纳秒激光预处理后,纳秒激光辐照至14.4J/cm2(5ns)尚未出现"本征"损伤的实验结果,提出了用于DKDP晶体的亚纳秒激光预处理方案,并指出亚纳秒激光预处理技术将成为高功率激光三倍频晶体抗激光损伤性能达标的关键技术。     

飞秒激光作用下啁啾镜膜层内损伤相关动力学

光学元器件的激光损伤问题,一直以来都困扰着超强超短激光系统的进一步发展。飞秒激光领域,激光脉冲引起的光学器件损伤主要由材料的本征特性决定。光学材料内的多光子电离、雪崩电离、导带电子弛豫等一系列非线性过程,与材料的激光损伤过程密切相关。利用泵浦探测技术,采用中心波长为800 nm,重复频率1 kHz的飞秒激光脉冲,对Nb2O5/SiO2啁啾镜介质膜的内部与飞秒激光损伤相关的超快动力学进行了研究。发现强的泵浦光脉冲辐照结束后飞秒乃至几十皮秒的范围内,啁啾镜对探测光的反射率有一定程度的下降。反射率降低的主要原因是泵浦光在介质膜的Nb2O5层内激发的大量的自由电子对探测光吸收所致,且该过程对激光诱导损伤过程起主导作用。通过反射率的变化,对其介质膜内导带电子弛豫过程进行探究,测定得到其衰减寿命,分别为1.31、6.88、22.34 ps。     

不同工艺条件下TiO2单层膜的吸收和损伤阈值测试

利用电子束热蒸发技术在不同氧分压和烘烤温度下镀制了一系列TiO2单层膜,采用表面热透镜技术测量了样品在1064nm处的弱吸收值,并用激光损伤测试平台测量了样品的抗激光损伤阈值(LIDT)特性。实验结果表明较高的氧分压和较低的烘烤温度能显著减小薄膜的吸收值。不过薄膜在基频下的损伤阈值除了受到薄膜吸收值的影响外,还取决于基底表面的杂质密度,当薄膜吸收较大时,本征吸收对损伤破坏起到主要作用;随着薄膜的吸收逐渐减小,基底表面处的缺陷吸收逐渐取代本征吸收成为影响薄膜损伤阈值的主导因素。     

基底亚表面裂纹对减反射膜激光损伤阈值的影响

利用化学沥滤技术,分析了亚表面裂纹对基底表面和减反射膜激光损伤阈值(LIDT)的影响。通过去除或保留研磨裂纹,获得了亚表面裂纹数密度有明显区别的两类基底。为了凸出亚表面裂纹层的作用,基底采用化学沥滤去除另外一种可能的影响因素,即再沉积层中的抛光杂质。然后采用电子束蒸发镀制HfO2/SiO2减反射膜。355nm激光损伤阈值测试结果和损伤形貌分析证实了基底亚表面裂纹对减反射膜抗激光损伤能力的负面影响。根据熔石英基底抛光表面的烘烤现象,提出了亚表面缺陷影响膜层激光损伤的耦合模型。     

Ta2O5/SiO2硬膜双腔滤光片激光损伤特性研究

研究了Ta2O5／SiO2硬膜双腔干涉滤光片带内、带边及带外的吸收和激光损伤特性。实验发现，对于作用激光，带通滤光片的驻波场分布、吸收率和损伤阈值在带内、带边和带外的响应特性对作用激光波长均呈现出明显的选择性。根据实验结果，结合滤光片的驻波场分析，给出了带通滤光片的损伤机理。     

高反Al2O3/SiO2膜内超快激光预损伤动力学过程

利用紫外飞秒激光光谱技术研究了Al2O3/SiO2高反射膜内的超快载流子动力学。通过实验,发现该反射膜Al2O3层的载流子动力学在紫外反射膜的激光诱导损伤中起着至关重要的作用。通过泵浦-探测实验,发现紫外飞秒激光与光学薄膜作用后,光学薄膜反射率有所下降,且探测光反射率变化的峰值在约2.3 ps的时间内从417 nm左右转移到402 nm左右。为了更好的解释激光诱导载流子动力学,一个具体的理论模型被提出来,该模型指出导带自由电子弛豫过程中与晶格相互作用,产生距导带一个光子能量的中间缺陷态,其初始电子密度影响了材料损伤阈值高低。通过该理论模型得出的激光损伤阈值数据和实验数据吻合得很好。     

熔石英表面紫外损伤点的飞秒激光修复技术

熔石英表面激光损伤发展问题一直制约着高功率激光系统的运行通量,采用飞秒激光修复损伤点抑制损伤发展并探索修复机理。首先采用时域有限差分方法(FDTD)分析不同形状修复点的电场分布,优化修复点结构。通过改变飞秒激光脉冲能量、样品台移动参数控制修复点的形状、尺寸与深度,实现最优化修复结构。结果表明矩形修复结构降低了局部区域光强分布,经飞秒激光修复后,修复点的损伤发展阈值远高于修复前损伤点的发展阈值。采用微区电子能谱仪(EDS)分析修复点的化学成分发现飞秒修复能减少氧缺陷含量,从而降低吸收系数。因此,减少吸收性缺陷以及降低局部光强是抑制损伤发展的关键因素。     

连续激光辐照窄带滤光片软损伤研究

利用YAG激光对ZnSe/MgF2窄带滤光片进行连续辐照研究,发现滤光片的通带发生了漂移, 严重时通带完全飘离使用波长,使其光学性能完全失效,即滤光片出现软损伤。根据实验结果和温度场分布,模拟了滤光片在连续激光辐照下的温度响应和光学性能失效过程,结果表明ZnSe材料的折射率温度梯度是引起软损伤的主要因素。