HfO2／SiO2光学薄膜激光损伤阈值的测量

参照国际标准ISO11254及其规范，组建了小口径1064nm激光的损伤阈值测量装置，能对各种光学元件，包括高反膜、偏振膜及增透膜等进行了1064nm激光损伤阈值测量，按损伤阈值测量国际标准的要求，测量了由HfO2/SiO2镀制的1064nm高反膜，偏振膜及增透膜的激光损伤阈值，分析了它们的激光损伤特性，对于10ns的1064nm激光脉冲，高反膜的损伤阈值为12.8J/cm^2，偏振膜为9.8J/cm^2，增透膜为9.2J/cm^2，对于20ns，1ns的激光脉冲，高反膜的损伤阈值分别为15.3J/cm^2和5.75J/cm^2，高反膜的损伤阈值对于ns激光脉冲符合时间定标率τ^0.35。     

YAG晶体功能薄膜制备

采用电子束蒸发方法制备Nd:YAG晶体板条功能薄膜,理论设计并镀制具有倏逝膜功能的宽带泵浦光减反膜(808 nm HT)和具有谐波功能的双色膜(808 nm HR,1 064 nm HT)。实验表明:大角度使用条件下的双色膜通带波纹加剧是导致其光谱性能下降的主要原因,同时比较了不同工艺下膜层应力对薄膜开裂的影响,使用应力缓冲层技术抑制了薄膜老化过程中裂纹的形成和扩展。激光损伤测试结果表明双色膜的单脉冲损伤阈值大于5.6 J/cm2(1 064 nm,5 ns,1-on-1),连续激光损伤阈值大于500 kW/cm2(1 064 nm),原子力显微镜分析证实初始损伤源主要来自膜层及其界面的点状吸收缺陷。     

1064 nm偏振薄膜的激光损伤特性

实验研究了偏振膜的0°和56°角激光损伤特性.研究表明,对于未镀SiO2覆盖层的偏振膜,S和P激光0°和56°角入射的损伤图貌为疤痕和膜层剥离,而对于镀SiO2覆盖层的偏振膜,0°和56°S偏振光的激光损伤主要为疤痕,56°P偏振光的激光损伤为30～50μm的孔洞,孔洞形成的原因与深入基片亚表面的抛光粉微粒有关.     

偏振分光膜中节瘤的激光损伤特性

研究了1 064 nm HfO2/SiO2偏振分光膜中节瘤的损伤特性。为了研究偏振分光膜中节瘤缺陷种子源粒径大小与损伤阈值之间的关系,在熔石英基板上植入了尺寸和密度可控的单分散性的SiO2小球,并采用电子束蒸发技术在熔石英基板上制备了1 064 nm HfO2/SiO2偏振分光膜。为了便于损伤测试,节瘤缺陷密度控制在20~40 mm2左右,并采取旋涂的措施防止了SiO2小球团聚的现象。为了获得人工节瘤损伤能量的统计值,用脉宽为10 ns的1 064 nm脉冲激光进行了光栅扫描式损伤测试。实验结果表明在偏振分光膜中节瘤缺陷的损伤阈值随着种子源粒径的增大而单调下降。     

不同场强分布的1064nm激光减反膜损伤特性

设计了两种具有不同场强分布的1 064nm减反射膜结构,即G/H3L/A和G/M2HL/A。采用离子束辅助沉积技术,在K9基底上制备了薄膜,并对薄膜在强激光下的损伤斑形貌及损伤阈值(LIDT)进行了测量。研究结果表明:薄膜的场强分布不同,其抗强激光的能力也不相同。当两种膜系的电场强度(归一化电场强度平方)在薄膜-空气界面处分别为1.039和0.906时,对不同的激光能量(180,150和120mJ),样品G/H3L/A的表面破损斑尺寸均大于样品G/M2HL/A;两种薄膜的激光损伤阈值分别为12.3J/cm2和14.8J/cm2(激光波长为1 064nm,12ns)。这说明,较小的薄膜-空气界面电场强度,有利于激光损伤能力的提高。因此,对于减反射薄膜,在膜系设计时,采用合理的场强分布,降低薄膜-空气界面的电场强度,可以有效改善薄膜的激光损伤特性。     

酸催化制备溶胶-凝胶ZrO2薄膜及性能

以Zr(OC3H7)4为前驱体,乙酰丙酮为络合剂,在盐酸的酸性条件下,于乙醇溶剂中水解制备ZrO2溶胶.采用粘度、红外(IR)光谱、折射率、热分析(DSC)、原子力显微镜(AFM)等测试手段对溶胶和薄膜性能进行表征.结果表明,制备的ZrO2溶胶具有比较好的粘度稳定性,加入聚乙烯吡喏烷酮(PVP)对溶胶稳定性影响不大;经500 ℃热处理后,膜层折射率可达1.91;薄膜表面均匀平整;加入PVP能提高膜层的激光损伤阈值(LIDT),ZrO2膜的激光损伤阈值为19.6 J/cm2(1064 nm,1 ns),ZrO2-PVP膜的激光损伤阈值为23.3 J/cm2(1064 nm,1 ns).     

脉冲激光对石英基底Ta2O5/SiO2滤光膜的损伤效应研究

随着高能激光系统的发展,对光学薄膜抵抗激光损伤能力的要求越来越高,而激光脉宽是脉冲激光对薄膜损伤行为的重要影响因素。针对Ta₂O₅/SiO₂多层膜,基于1-on-1测试方法,分析其在飞秒、皮秒、纳秒激光作用下的损伤特性。测得800 nm飞秒激光作用下的损伤阈值为1.67 J/cm₂;532 nm和1 064 nm皮秒激光作用下的损伤阈值分别为1.08 J/cm²和1.98 J/cm²;532 nm和1 064 nm纳秒激光作用下的损伤阈值分别为9.39 J/cm₂和21.57 J/cm₂,并使用金相显微镜观察了滤光膜的损伤形貌。实验结果表明：飞秒激光对滤光膜的损伤机理主要是多光子电离效应,而皮秒和纳秒激光对滤光膜的损伤机制主要是热效应。滤光膜在飞秒激光作用下的损伤阈值与皮秒激光作用下的损伤阈值相当,纳秒激光作用下的损伤阈值要高一个数量级,透射通带外损伤阈值约为通带内损伤阈值的2倍。     

大尺寸宽带偏振薄膜的制备与测试

用计算机辅助设计,依靠膜系自身匹配原则,压缩通带波纹,以此提高偏振膜的带宽和稳定性;同时对偏振膜的材料选择、膜系设计以及实际测量进行了研究,并在此基础上设计并制备出以HfO2/SiO2为镀膜材料,使用角度为60°,工作波长为1053nm的多层薄膜偏振片,该偏振片具有良好的光学性能和比较高的抗激光损伤阈值。     

1339nm单一谱线Nd:YAP脉冲激光器

介绍了一台a轴偏振的1 339 nm Nd:YAP脉冲激光器.通过分析Nd:YAP晶体的能级跃迁和光谱特性,采用偏振片抑制平行于晶体C轴偏振的激光振荡,并通过设计输出耦合镜的透过率抑制晶体a轴偏振的1 064 nm强线的振荡,成功实现a偏振的1 339 nm单一谱线脉冲激光输出.当输入电能量达到75 J时,激光输出能量为0.31 J,电-光转换效率为0.4%,斜率效率为0.52%,激光输出能量不稳定度≤±5%,激光阈值能量为14.5 J,输出脉冲激光的中心波长在1 339.2 nm.     

532nm激光对兔视网膜损伤阈值研究

目的:确定532nm激光对兔视网膜的损伤阈值.方法:以家兔14只28眼为实验对象,倍频Nd:YAG激光(532nm)通过裂隙灯照射兔视网膜后极部,光斑直径为2mm,照光时间100s,功率密度为900mW/cm2 -1500 mW/cm2,于照后24h观察视网膜损伤发生率,并用加权概率单位法计算损伤发生率为50%时所对应的激光剂量,即损伤阈值ED＜50.结果:532nm激光照射兔视网膜的ED＜50为119.7J/cm2,95%置信区间为:(112.6J/cm2,127.0J/cm2),斜率S为1.18.结论:当光斑直径为2mm,照光时间100s时,532nm激光敛兔视网膜损伤的阈值为119.7J/cm2.     

一维光子晶体的偏振特性研究

本文采用光子晶体带隙结构计算的Pendry理论研究了一维光子晶体的偏振特性,由Pendry理论导出的传输矩阵法计算了TE模和TM模的透射谱,不同入射角时基频PBG(Photonic band gap)分布,固定入射角及入射光频率时透射率随介质a的填充率因子变化曲线.     

角度调谐滤光片的膜系优化设计算法

根据薄膜窄带滤光片在倾斜入射时的特性,通过改进间隔层膜系结构调整其等效折射率,可以设计出具有稳定透射峰值和带宽的角度调谐窄带滤光片.倾斜入射时窄带滤光片透射光的S和P偏振分量的中心波长会随着入射角度的增大出现分离现象,产生较大的偏振相关损耗.分析了偏振分离现象出现的原因和其与滤光片等效折射率的关系,提出了消除偏振分离现象的方法.根据薄膜矩阵理论建立了分析模型并提出了一种该可调滤光片的设计方法,根据开发的程序优化设计并制备了一组用于100 GHz密集波分复用(DWDM)系统的低偏振相关损耗的四腔角度调谐窄带滤光片,实验结果证明其满足设计要求并有接近20 nm的可调范围.     

偏振光下向列相液晶(5CB∶C_(60))取向光折变特性的研究

通过实验研究了外加电场对C60掺杂的向列相液晶(5CB)的取向光折变特性及水平和竖直偏振光对样品二波耦合和自相位调制现象的影响。通过测量样品的增益系数和光束耦合率可以看出,在水平偏振光照射下两束透射光有较强的能量转移而在垂直偏振光照射时几乎观察不到明显的能量耦合现象。可见,液晶盒中的分子取向与光束的偏振方向有很强的依赖关系。     

原子层沉积薄膜之激光损伤性能分析

采用目前尚在国内鲜有报道的原子层沉积技术在熔石英和BK7玻璃基片上镀制了TiO2单层膜、AlO3单层膜以及TiO2/Al2O3增透膜,沉积温度在110℃和280℃.利用X射线粉末衍射仪对膜层微观结构进行了分析研究,并在激光损伤平台上进行了抗激光损伤阈值的测量.采用Nomarski微分干涉差显微镜和原子力显微镜对激光损伤...     

Cu/Ta/SiO2/Si薄膜在纳米压痕下的分层现象研究

采用磁控溅射技术在热氧化单晶硅衬底上先后淀积了厚度分别为50nm的Ta膜和400 nm的Cu膜.使用纳米压入仪在样品表面进行压入测试,在薄膜表面制造出残留压痕.使用扫描电镜(SEM)、聚焦离子束(FIB)、透射电镜(TEM)和X射线能谱仪(EDX)对残留压痕形貌、剖面上的分层现象进行观察,确定分层所在的位置.发现在69 mN的最大载荷作用后,在TA/SiO2界面处发生分层.分层的原因主要归结为在应力作用下,多层膜中各种材料的应变、弹性恢复能力不同.     

高损伤阈值双色膜

结合双色膜的驻波场分布优化膜系设计,以电子束蒸发的方式制备了1 064 nm高透过、532 nm高反射的HfO2/SiO2双色膜。采用1-on-1方式测量了双色膜在基频透过光和倍频反射光的辐照下的损伤阈值,为了研究双色膜在基频和倍频下的损伤机制差异,对比了双色膜不同的初始损伤形貌并分析了其形成原因。针对损伤机制的差异,研究了外层驻波场分布对于倍频反射光辐照下的双色膜损伤特性影响以及氧化硅内保护层对于基频透过光的损伤特性的影响。实验结果表明:氧化硅内保护层和驻波场优化有助于提高双色膜在基频光和倍频光辐照下的激光损伤阈值,并对其机理做了分析。     

斜入射F-P型薄膜滤光片消偏振膜系的仿真分析

滤光片在斜入射时,S偏振光和P偏振光的中心波长及通带宽度会发生分离现象。本文由一种膜系设计方法,采用三种不同折射率材料,得出多层膜系结构。分别对单腔和三腔的三种实例膜系进行了计算求解及仿真分析,结果表明此方法设计的多膜滤光片具有良好的消偏特性。     

1064 nm激光平板偏振膜的研制

根据军用光学仪器的使用要求,在平板K9基底上镀制偏振膜,要求在56.4°角入射条件下,激光波长1064 nm处满足T_P>99%,T_S<1%,且膜层抗激光损伤阈值应≥600 MW/cm~2.采用电子束真空镀膜的方法并加以离子辅助沉积系统,通过选择HfO_2和SiO_2作为高低折射率材料,利用Macleod软件进行膜系设计与分析,采用LightRatioPeak光值比例法进行监控,优化工艺参数,减少监控误差,在平板K9基底上成功镀制符合使用要求的偏振膜.所镀膜层不仅满足光谱要求,且顺利通过膜层环境测试,完全满足军用光学仪器的使用要求.