激光装置污染物诱导光学元件表面损伤实验研究

通过分析高功率激光装置内主要污染物成分及来源,研究其对大口径光学表面抗损伤能力的影响规律,得到装置光学表面洁净控制要求。利用扫描电镜对高功率激光装置内部的主要颗粒污染物进行取样分析;采用自然沉降的方法在光学元件表面制备污染物,并利用Nd∶YAG(SAGA-S)激光器研究其损伤阈值和损伤规律。研究结果表明,高功率激光装置内颗粒污染物的主要成分为金属、有机物和矿物质,占据比例分别为20%、40%和40%。激光辐照污染后的光学表面存在激光清洗和激光诱导损伤两种效应,当激光器能量密度超过10.9 J/cm2时,光学表面存在清洗作用。当激光能量密度超过14.6 J/cm2时,光学表面污染物引起损伤,且损伤随着污染物尺寸呈线性下降趋势。     

光学元件的激光损伤

最近，世界各国为了研究核聚变，正在大力建造高功率玻璃激光器。在加利福尼亚大学，劳伦斯·利弗莫尔研究所，为了实现得失相当而建造的SHIVA装置（20路光束)，已于去年11月开始运转，据报导，已获得10.2千焦耳（脉宽0.9毫微秒）的输出功率。另外，在日本，激光4号(4路光束）中的1路已开始工作，得到了1千兆瓦以上的输出功率。在这种高功率激光器中，使最大输出功率受到限制的原因之一，是光学元件的激光损伤问题。     

光学元件激光损伤在线检测装置

设计并搭建了一套光学元件表面损伤检测装置,用于激光损伤实验中光学元件表面损伤的自动化在线检测。装置主要由自动变倍显微相机、高精度位移传感器、两维扫描轴、调焦轴、快速复位平台和系统控制器组成。两维扫描轴按照规划好的弓形路径对光学元件表面激光辐照区域进行扫描,调焦轴对位移传感器反馈的离焦量进行实时修正,显微相机采集子图像并进行保存。首先,分析影响图像拼接精度的主要误差源并通过图像矫正等方法进行补偿;然后,利用图像拼接技术将矫正后的子图像矩阵进行高精度无缝拼接,得到大面积高分辨率的光学元件表面损伤图像;最后,对损伤图像进行后处理得到损伤个数和损伤面积等信息。实验结果表明:装置在5 min内实现了光学元件表面15 mm15 mm区域的扫描拼接和检测,成像系统分辨率优于228 lp/mm,图像拼接误差小于2 pixel。     

光学元件的激光损伤阈值测量

激光损伤阈值的准确测量是研究高抗激光损伤光学元件的必要条件.分析了激光诱导损伤阈值的不确定度来源,包括激光能量测量、光斑有效面积测量、各能量密度处几率的计算以及对损伤几率点进行直线拟合4个方面.利用统计学原理和线性拟合等理论对不确定度分量及测试结果的相对合成不确定度进行了理论推导和计算.1 064 nm高反薄膜样品的实例分析表明,损伤阈值测量的相对合成不确定度为18.72%.     

激光引起的光学元件损伤的最近研究

随着大功率激光的发展和应用,构成激光系统的各种元件因激光引起损伤的研究,近年来受到重视。这是因为要想得到高于系统中使用的各种光学元件的最低损伤阈值以上的激光输出是不可能的,同时从实用上、可靠性或提高工作效率的需要上也有必要进行这项研究。另一方面,由于激光输出,特别是脉冲输出控制技术的进展和光学材料精制法的提高,有可能进行周密的实验,得到有物理意义的数据,于是对阐明损伤机构进行了有组织的研究。但是,这个领域的研究才仅仅开始阐明了一部分现象,今后可望取得成果,作为了解最近动向的参考资料,我们将Appl. Opt., 1973,12,No.4和其他地方登载的论文汇总起来介绍。     

强激光非线性效应及光学元件损伤的研究进展

本文综述了强激光系统中受激布里渊散射（SBS）、受激喇曼散射（SRS）、自聚焦等非线性效应以及强激光引起光学元件损伤的研究背景、现状、进展以及存在的问题。并指出其未来的发展前景。     

光学元件的激光损伤阈值测试平台

建立了用于光学元件和材料的激光(1064 m与355 nm)损伤阈值测试平台.按照IsO-DIS 11254-1.2的测试规范,采用l-on-1打点与激光损伤几率的方法给出被测样品的激光损伤阈值.研制了激光光斑有效面积测试装置,提高了光学元件激光损伤阈值的测试精度.     

石英光学元件激光损伤修复形貌的优化

针对三倍频光学元件后表面的损伤修复形貌,分别采用时域有限差分法(FDTD)和瑞利-索末菲(R-S)衍射积分法,来模拟不同形貌下元件修复区域内以及其后续的光场分布。结果表明,当修复坑截面轮廓线端点切线与光束传播方向夹角大于70°时,元件内部光强极大值小于1.66,修复效果优于其他角度。夹角为70°、宽200μm的抛物面型、圆锥型和圆台型凹坑的后续光强极大值小于1.46。但是当修复坑宽度较大如达到1mm时,圆台型凹坑的后续光强极大值高达9.31,且作用区间长。因此,考虑实际激光修复工艺的难度,夹角大于70°的圆锥型凹坑是石英元件后表面损伤修复的首选形貌。     

周期性表面光学元件激光损伤阈值的拟合

光学元件的激光诱导损伤阈值是衡量其抗激光损伤能力的重要指标。周期性表面光学元件具有良好的光学特性,在高功率激光系统中也有着潜在的应用,准确测定其激光诱导损伤阈值尤为关键。本文分析了激光诱导损伤阈值不确定度的主要来源,建立了激光诱导损伤阈值不确定度的计算公式,给出了减小激光损伤阈值不确定度的处理方法。结果表明：当激光的标定光斑半径为400μm、误差为10μm、激光能量误差为5%时,能量密度引入的不确定度为0。则激光损伤阈值的不确定度主要来源为损伤几率不确定度和线性拟合不确定度。通过增加每一能量级的测量次数,可以进一步减小激光损伤阈值的不确定度。     

基于高斯脉冲激光空间分辨测量光学元件表面激光损伤阈值研究

提出一种基于高斯脉冲激光空间分辨测量光学元件表面激光损伤阈值的方法。通过设定激光能量密度差对高斯光斑进行能量密度分区,统计并分析每个能量密度分区的能量密度以及损伤密度分布,设定一个零损伤密度所对应的激光能量密度作为所测样品的激光损伤阈值。同时利用国际标准1-on-1激光损伤阈值测试方法对同一样品进行激光损伤阈值测试,并将两种测试方法获得的损伤阈值进行了比较分析,证明基于高斯脉冲激光空间分辨的激光损伤阈值测试方法,解决了国际标准1-on-1激光损伤阈值测试中将高斯光斑内空间能量密度以及损伤点的不均匀分布等效地视作均匀分布所带来的问题。     

光学元件和激光市场

据报道,美国激光市场过去几年中一直是稳步增加的,直至最近几个月也是这个趋势。大多数人认为这种商用和工业用激光器增长原因在于大批激光厂商把他们的产品通用化。去年的激光销售额达到5.8亿美元,1973     

毫秒激光辐照光学元件的多杂质损伤模型

建立了毫秒长脉冲激光辐射透明光学元件的多杂质加热模型,对涂有SiO2/Al2O3增透薄膜的K9玻璃光学元件在毫秒激光辐照下的温度场和热应力场进行了数值模拟,分析了温度场和应力场分布的发展历程。结果表明在毫秒激光作用下,多个微小杂质团簇作为吸收热源能够导致毁灭性的损伤,且损伤同时出现在元件的前后表面,前表面为温度与应力效应共同作用,后表面为应力效应主导。数值模拟结果与实验损伤形貌观察结果吻合较好。     

光学元件激光损伤阈值的指数拟合法以及测试误差分析

利用指数拟合法拟合损伤概率,获取1-on-1激光损伤阈值;分析了测试光斑面积以及单脉冲能量台阶取样点数对损伤概率的影响。采用理论推导得到了缺陷按完全简并模型分布时的损伤概率表示式,做进一步的修改使之适用于非完全简并情况从而得到了指数拟合公式,并通过实验比较了直线拟合与指数拟合的结果,证明了指数拟合法的优越性;计算模拟研究了测试光斑面积以及单脉冲能量台阶取样点数对测试误差的影响,发现测试光斑面积越大、取样点数越多则测试结果越准确。     

光纤端面脉冲激光诱导损伤测试实验研究

为了研究光纤端面在脉冲激光作用下的损伤阈值,采用掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器诱导损伤测试方法,获得了光纤端面脉冲激光诱导损伤特性的初步结果。结果表明,光纤端面的处理工艺、表面质量、清洁程度及激光损伤探测光源的重复频率对损伤测试结果均有不同程度的影响。     

色分离光栅激光诱导损伤特性实验研究

对色分离光栅(CSG)在10 64nmNd YAG激光辐照下的损伤特性进行了实验研究。研究表明,湿法刻蚀CSG的损伤阈值比干法刻蚀的高,刻蚀面的损伤阈值比非刻蚀面的损伤阈值大,激光入射表面选择影响光栅面和非光栅面的损伤阈值,从非光栅面入射,这两个面的损伤阈值都比从光栅面入射的高。     

高重复频率DPL 激光对光学薄膜元件损伤实验研究

光学薄膜的高重频激光损伤特性一直是激光薄膜研究者的重点。为了分析光学薄膜在高重频激光辐照下的损伤特性,探究其损伤机理,文中从实验出发,研究了重复频率10 kHz DPL 激光对光学薄膜元件的损伤特性。结果表明,修正膜层内的驻波场分布,降低膜层内高折射材料中的驻波场峰值可以提高高重频激光损伤阈值;从激光损伤形貌与辐照激光功率的关系上看,在高重频激光辐照下光学薄膜元件的损伤实质上是热效应和场效应共同作用下产生的微损伤累积放大所造成的。当薄膜吸收率较小时,损伤主要表现为场效应所致的微损伤累积放大,当薄膜吸收率较大时,损伤主要表现为热效应所致的微损伤累积放大。     

微光学元件飞秒激光制备

超短脉冲激光不仅使人们得以在飞秒级时间分辨下研究物理、化学、生物学和光电子学等学科中的各类瞬态动力学过程，也使人们得以用很低的脉冲能量获得极高的峰值光强。近年来，利用飞秒激光的多光子过程进行微加工和微制备得到了广泛关注。由于飞秒激光脉冲持续时间极短，激光辐照区域淀积的能量难以通过热辐射途径逸出辐照区域，热     

激光烧蚀形成精密光学元件

用传统的抛光法精确塑造光学元件,得到低波前畸变是一项极其困难的任务,特别是那些大于50 cm或小于1 cm的光学元件。无论大的还是小的光学元件,波前测量都很困难。 如果可以同时制造和测量光学元件就方便多了。对中等大小的光学元件也很方便,但在处理中等大小光学元件时,有好几种方案。 大阪大学激光工程研究所的Jitsuno及其同事已开发一种技术,可同时进行整形和相位测量,波前畸变很小。这种技术称作激光烧蚀成形,它用193 nm ArF准分子激光来塑造光学器件,用相移干涉仪现场检测像差。 研究者试图用这种方法来塑造玻璃和石英,但碎片使表面粗糙,难以接受。但对于塑料,烧蚀下的材料与大气中的O2反应,碎片量可忽略不计。把塑料的均匀烧蚀性能与玻璃的优秀光学性能结合,在玻璃基质上镀一层50 μm厚的紫外线干燥树脂。 实验者使用准分子激光器,在直径为5 cm的玻璃-塑料混合基质上产生平面和球面。使用的光通量为45 mJ/cm2,使表面粗糙度降至最低。 激光烧蚀整形可以在安装以后重新形成激光二极管的微透镜,以补偿位置误差 平面的波前畸变开始点为3.0 λ,激光烧蚀后,在90%的表面上降至0.17 λ。球面开始点为2.5 λ,用整形法产生波前少于0.2 λ的非球面部件。激光器在17 Hz下操作,过程耗时4小时。一台性能良好的标准抛光机要花费6小时方能使玻璃基质达到同样的水平。 激光烧蚀整形能达到的精确度和表面粗糙度使其在通用光学器件方面有广泛用途,亦可用于折射光学器件的背面整形,可能特别适用于激光二极管的微透镜或单模光纤,因为在装配以补偿位置误差后,它还可以重塑表面。 研究者发表其结果后,一直在这一领域进行实验。因为在激光二极管中有波前误差,转而使用Shack-Hartman传感器,这种传感器在聚甲基丙烯酸酯中产生的表面波纹更加敏感。最近,他们借助一台新的脉冲CO2激光器,成功地用烧蚀法平滑表面。经证明单模光纤更容易,但表面粗糙度仍不令人满意。     

液晶光学器件激光损伤研究

为了实现液晶光学器件在高功率固体脉冲激光装置上的应用,采用理论模拟和实验相结合的方法研究了液晶光学器件的激光损伤情况,建立了液晶光学器件激光损伤的物理模型,计算了一定入射激光能量密度下液晶光学器件的温度场分布和损伤情况,测量了液晶光学器件中聚酰亚胺薄膜和液晶材料的激光损伤阈值,得到了液晶光学器件的激光损伤机理和损伤阈值。结果表明,液晶光学器件的激光损伤主要源于组成液晶光学器件的聚酰亚胺薄膜和液晶材料因温度升高导致的破坏,通过液晶光学器件结构的合理设计和物理参量的选择可以提高其抗激光损伤能力。     

硫化铅光敏元件的激光损伤研究

本文报导了硫化铅光敏元件的激光损伤的实验结果。研究了PbS光敏元件的激光损伤阈值及影响阈值的一些因素。所用的激光波长都是1.06微米,但其脉冲宽度和功率密度有几个数量级的变化。