三倍频激光下金属颗粒对熔石英元件损伤阈值的影响

高功率激光器中,金属颗粒作为元件表面污染的一种,对熔石英元件寿命的影响早已得到关注。为了定量得到金属颗粒对熔石英元件损伤阈值的影响,在中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜中心的标准损伤测试平台上,对未被污染的以及被3种不同金属颗粒(Al、Cu、Fe)污染的熔石英元件的损伤阈值进行了测量。研究发现,被金属颗粒污染的熔石英元件,损伤阈值会降低为原来的20%～30%;吸收系数高的金属颗粒更容易诱导损伤,损伤形貌与未污染的熔石英损伤形貌也有很大的差别;离线观测样品形貌,可以从微观的角度观察到损伤的概率行为。参考损伤的爆炸模型,粗略地模拟了温度随时间的变化。     

光学元件激光诱导损伤分析及实验研究

通过激光损伤实验,系统分析了传统研磨抛光加工工艺中表面杂质、刻蚀时间、亚表层缺陷和划痕宽深比对熔石英元件激光损伤阈值的影响。结果表明:擦洗后熔石英元件的激光损伤阈值为21.6J/cm~2,未经擦洗的元件的激光损伤阈值为11.28J/cm~2,受表层杂质影响激光损伤阈值大幅度降低,而有缺陷位置处的激光损伤阈值明显比无缺陷位置处的低。刻蚀时间的增加会使工件表面粗糙度和缺陷尺寸逐渐增大,导致光学元件激光损伤阈值大幅度下降,因此需要合理选择化学刻蚀时间。亚表层缺陷会对入射光场产生调制作用,造成局部区域反射光、散射光及入射光相互叠加,最终导致材料破坏而产生激光损伤。随着刻蚀时间的增加,划痕的宽深比会逐渐增大,可以逐渐减弱划痕对光场的调制作用,从而降低激光损伤发生的概率。     

表面杂质和节瘤缺陷诱导薄膜元件热熔融损伤

在高功率激光系统中,光学薄膜元件表面杂质和体内节瘤缺陷是导致薄膜元件损伤的关键因素。通过建立强激光连续辐照下光学薄膜元件的热分析模型,分析在不同激光辐照时间和功率密度下,表面杂质和节瘤缺陷对光学薄膜元件损伤的影响及其规律。结果表明,在强激光连续辐照下,当表面杂质粒子尺寸处于一定范围内时,随着杂质粒子尺寸的增大,薄膜元件上的最高温度随之升高,且大而浅的节瘤缺陷种子对膜层的温升影响较大。随着激光功率密度的提高和激光辐照时间的增长,表面杂质造成薄膜元件热熔融损伤的粒子尺寸范围越大,节瘤缺陷造成薄膜元件热熔融损伤的种子深度和尺寸范围也越大。     

熔石英元件小尺寸集群损伤修复及检测技术 (特邀)

针对现有小尺寸集群损伤修复及检测技术仍不完善的问题,重点研究亚表面缺陷多模态原位检测方法,从损伤样件表面损伤数量和尺寸、典型小尺寸损伤的形貌、光热吸收、荧光面积等多项指标进行了系统测量和分析,并开展了磁流变修复研究。研究结果表明:熔石英小尺寸损伤内部的吸收性杂质是影响元件性能的主要因素,在磁流变缎带接触到损伤底部前,损伤的整体吸收和荧光分布呈上升趋势;高重频激光对磁流变修复后的损伤辐照过程是一个由慢变快、由杂质到本体、由边缘逐渐向外扩张的过程,能够有效对磁流变修复后的表面进一步起到修复作用,可作为组合修复工艺的第三道工序。研究结果对光学元件检测表征体系的构建提供参考。     

表面污染物诱导熔石英损伤的热力学数值模拟

为了研究高功率固体激光装置内污染诱导光学元件损伤问题,基于有限元数值方法,结合污染物诱导熔石英损伤机理,给出了熔石英样片在高功率脉冲激光辐照下的温度场和应力场分布.结果表明,激光脉冲辐照过程中主要以污染物的温度升高为主,最高至2800K,而样片温升不大,仅为7K;在激光脉冲辐照后100μs的时间内,样片表面中心快速升温...     

纳秒激光诱导透射元件粒子喷射的分布特征

光学元件在高能量激光辐照下将发生激光损伤,损伤过程伴随着材料破裂、结构崩塌和粒子喷射,而向外喷出的粒子将影响周围光学元件的激光损伤性能。搭建了双光束泵浦探测成像系统,获得了激光诱导透射元件粒子喷射的瞬态图像,并根据粒子接收板的统计数据,获得了喷射粒子的空间分布、粒子尺寸和出射角度特征。同时,针对不同激光能量、不同的粒子接收距离以及真空度,对喷射粒子分布的影响因素进行了研究;此外,还结合能谱仪对激光诱导金属膜喷发后的分布规律、不同金属元素在大气与真空环境中的喷射行为进行了对比分析。实验结果表明:透射元件在激光作用下喷发出微米尺寸的粒子形态,金属膜的喷发主要以原子态或熔融液滴为主;粒子在最终接收板上的分布特征主要受初始条件的影响,而真空环境影响相对较小;不同薄膜制备工艺对金属膜的喷发特征影响较为明显。     

熔石英元件非吸热性杂质对后表面光场的调制

为了研究熔石英元件体内非吸热性杂质导致损伤和光束质量下降,采用时域有限差分法计算杂质散射光场和分步傅里叶算法计算散射光场非线性传输的方法,得到了半径在入射波长量级的气泡和氧化锆杂质可放大光场振幅约1.6和1.9倍,且经非线性传输光场会分裂,调制会加深的结果。结果表明,元件体内杂质可导致元件后表面的损伤和光束质量的下降。     

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。     

利用紫外激光处理提高熔石英损伤阈值的研究

为了研究紫外脉冲激光预处理对熔石英表面形貌的影响,验证其对熔石英元件抗紫外激光损伤能力的提升效果,利用输出355nm3倍频紫外脉冲激光的YAG激光器,采用光栅式扫描的方式对熔石英表面进行了全口径能量周期递增的激光预辐照处理,并在处理结束后研究了表面形貌的变化,考核了其在355nm脉冲激光作用下的损伤阂值。结果发现,石英基片在经过紫外脉冲激光预处理后表面杂质得到有效清除并暴露了低阈值缺陷,处理后的石英基片零几率损伤阈值平均提高24%左右,50%损伤阈值提高约19%。结果表明,紫外激光预处理是增强熔石英元件紫外激光负载能力的有效方法,可有效缓解高功率固体激光装置3倍频输出的负载瓶颈,具备较高的工程运用价值。     

利用紫外激光处理提高熔石英损伤阈值的研究

为了研究紫外脉冲激光预处理对熔石英表面形貌的影响,验证其对熔石英元件抗紫外激光损伤能力的提升效果,利用输出355nm 3倍频紫外脉冲激光的YAG激光器,采用光栅式扫描的方式对熔石英表面进行了全口径能量周期递增的激光预辐照处理,并在处理结束后研究了表面形貌的变化,考核了其在355nm脉冲激光作用下的损伤阈值.结果发现,石英基片在经过紫外脉冲激光预处理后表面杂质得到有效清除并暴露了低阈值缺陷,处理后的石英基片零几率损伤阈值平均提高24%左右,50%损伤阈值提高约19%.结果表明,紫外激光预处理是增强熔石英元件紫外激光负载能力的有效方法,可有效缓解高功率固体激光装置3倍频输出的负载瓶颈,具备较高的工程运用价值.     

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。     

HF蚀刻+逐层抛光法表征熔石英亚表面损伤层深度

脆性材料的研磨过程会不可避免地产生亚表面损伤层,对亚表面损伤层的表征和抑制一直是获得高激光损伤阈值熔石英光学元件的关注热点。回顾了几种亚表面有损表征技术,通过实验重新评价了蚀刻表面峰谷(PV)粗糙度法的可行性,分析了其误差较大的原因。在此基础上,提出了一种新的亚表面损伤层深度检测方法——HF蚀刻+逐层抛光法。分别采用这两种表征技术以及粗糙度估计法、磁流变斜面抛光法对不同工艺研磨的熔石英亚表面裂纹深度进行了对比检测,结果表明这几种表征方法相互符合很好。     

Subsurface structure and laser damage threshold

The laser-induced surface damage threshold of fused silica is discussed with respect to the near but below the surface zone of microcracks, strain, and dislocations. This subsurface zone was varied in thickness throughout a set of matched samples by means of interrupted controlled grinding followed by optical polishing. Laser damage testing was performed using a TEM00beam having a wavelength of 1.06 μm, a pulsewidth of 40.5 ns, and a spot size of 147 μm. The experimentally measured breakdown electric fields were corrected using the technique of roughness normalization and plotted versus the thickness of the subsurface zone. Analysis of the data leads to the conclusion that laser-induced surface damage is dominated by the superficial polish layer and that the effect of the disturbed subsurface zone is essentially negligible.     

熔石英玻璃激光损伤的三维应力场研究

为了研究CO₂激光损伤后熔石英玻璃内部的三维应力场分布,采用脉冲CO₂激光与熔石英玻璃相互作用的有限元数值模型,计算了脉冲激光停止时熔石英玻璃内部的温度分布,并研究了材料冷却后的内部三维应力分布和表面初始损伤形貌,计算结果与实验结果吻合。以该模型为基础,详细分析了径向和环向应力的三维分布,结果表明,在损伤凹坑附近,径向应力表现为压应力,且在凹坑底部附近取得最大值后,径向应力沿深度方向逐渐转化为拉应力;损伤凹坑附近的环向应力与径向应力相似,均表现为压应力,但压应力沿径向逐渐转化为拉应力,不同深度处的环向应力沿轴向增至最大后逐渐减小。另外,脉冲激光能量的增大导致径向应力与环向应力及其影响范围均有明显增加。研究结果有助于分析激光损伤熔石英玻璃内部的三维应力场,为CO₂激光修复工艺的改进提供了理论依据。     

溶胶-凝胶膜光学表面激光清洗工艺研究

为了解决光学元件表面的颗粒污染问题，在单发次激光干式清洗的基础上，提出了气流置换系统辅助的激光清洗方法，使用波长为355nm的Nd:YAG激光器，针对镀溶胶-凝胶SiO₂薄膜熔石英光学表面粒径为1μm~50μm的典型SiO₂颗粒污染物，进行了理论分析和清洗实验，取得了可用于激光清洗的工艺参量。结果表明，对于镀溶胶-凝胶膜熔石英样品的单发激光干式清洗，最佳激光能量密度为2.29J/cm2，与未镀膜石英的激光清洗工艺参量存在一定差异；在最佳工艺参量下，单发次激光清洗对于粒径1μm以上的SiO₂颗粒清洗效果明显，移除率可达82.96%；当污染密度过高时会导致清洗效果的减弱及对基底的损伤，而气流置换系统辅助的激光清洗方法可进一步增强对光学表面颗粒污染的去除效果。该研究对大型高功率固体激光装置中的光学元件在线清洗及清洗装备的设计具有重要的研究意义与实用价值。     

熔石英抛光表面结构的蚀刻和热处理表征

利用HF蚀刻和热处理,结合原子力显微(AFM)分析,对传统抛光和磁流变抛光的表面结构进行了表征。为了分析热处理凸起的形成源,抛光表面在热处理前分别采用超声清洗、化学沥滤和HF蚀刻三种不同的表面处理技术进行处理,去除了不同表面材料。蚀刻形貌和热处理形貌及其关联性表明,传统抛光表面存在着大量纳米级缺陷,这些缺陷由易于诱导激光损伤的纳米级微裂纹和颗粒状分布的抛光杂质组成。结合抛光机制的分析,建立了传统抛光表面的微裂纹-颗粒杂质结构模型。     

Surface roughness and laser damage threshold

The essential results of a carefully controlled experimental investigation of the effect of roughness on laser-induced surface damage thresholds in fused silica are reported. Sets of fused silica samples were subjected to several surface preparations such that rms surface roughness values within each set varied over two orders of magnitude. A plot of surface damage threshold versus surface roughness shows that there is a strong dependence of threshold on roughness, that this dependence exhibits a simple functional form, and that this relationship appears to hold even for the smoothest of optical surfaces. The utility of the observed threshold-roughness relationship is discussed.     

单个脉冲作用下熔融石英的温度和热应力研究

理论研究单个激光脉冲作用光学材料的温度和热应力分布模型,根据脉冲特征,分别建立适用于短脉冲和长脉冲的温度分布模型;进一步建立单个脉冲作用下的热应力模型。以熔融石英为例数值计算和分析了单个脉冲作用下的温度和热应力分布。研究结果表明,如果只求解单脉冲结束时的温度分布,长脉冲和短脉冲模型计算结果一致。单个激光脉冲辐照熔融石英,材料温度升高,如果温度达到材料融化或汽化温度,将导致材料的熔融汽化破坏,另一方面,在焦点区域温升不均匀,将导致热应力产生,如果热应力达到材料的力学破坏阈值,将诱导材料的热应力损伤。     

超短脉冲激光对无机硅材料的损伤

通过控制作用于材料表面的激光能量和脉冲数量,实验研究了800nm,50fs,1kHz激光作用下融石英玻璃和硅片的破坏机制和损伤规律,计算了材料的损伤阈值与脉冲能量以及脉冲数量的依赖关系,并采用简化的理论模型计算了熔石英玻璃材料的损伤阈值与激光脉宽以及光子能量之间的依赖关系。对这两种无机硅材料在飞秒脉冲作用后的微区结构改变进行了扫描电子显微镜(SEM)测试,研究了其形貌特征。结果表明,硅片是由缺陷中的导带电子作为种子电子引发雪崩电离导致材料损伤,而熔石英玻璃是由多光子电离激发出导带电子引发雪崩电离导致材料损伤。