基于空间分辨法分析时间低相干光自聚焦效应

时间低相干光由于其瞬时宽带的物理特性,在激光惯性约束聚变中得到了广泛的关注.然而其复杂的时间尖峰结构或将诱导非线性自聚焦效应的放大.同时,传统的非线性自聚焦特征数值的测试方法中,多数材料的表面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生,这为对比不同激光的非线性效应带来巨大影响.本文利用短焦距透镜对熔石英进行紧聚焦,通过调节入射激光能量,在避免前表面损伤的前提下,诱导熔石英产生自聚焦成丝损伤.随后通过理论计算对光束在样品体内传输过程的光斑变化进行空间分辨处理,并得到对应细分位置的非线性数值.最终将各个位置对应的非线性相位变化值进行积分,得到前表面无损条件下材料的非线性自聚焦特征数值.测试结果表明时间低相干光的非线性自聚焦效应比传统单模脉冲激光更强.本文不仅设计了一套更加精确的对比不同激光非线性效应的测试方法,同时也探明了时间相干性对于非线性自聚焦效应的影响机制,为高功率时间低相干激光器的设计提供理论依据和参考.

空间应用激光薄膜元件研究进展

随着空间激光技术的不断进步,空间激光系统逐渐向更短应用波长、更长使用寿命、更高应用轨道等方向发展,对薄膜元件提出了更高的性能要求。本文综述国内外主要空间激光器的发展方向,在空间激光系统研制过程中薄膜元件的真空、高低温、质子辐射、伽马射线辐射等空间环境损伤效应,以及使役条件(即空间与激光耦合作用)下薄膜的性能演化机理。介绍在高性能空间激光薄膜元件研制技术方面的新进展,结合空间引力波探测、深空探测等未来发展方向对空间激光薄膜元件提出了展望。

KDP类晶体的激光损伤研究

KDP类晶体是唯一可以满足ICF激光驱动装置通光口径的非线性光学晶体材料。该类晶体采用水溶液生长法生长,易于产生宏观包裹体和微观晶格缺陷,在高功率激光辐照下晶体内部易产生高密度pinpoint损伤现象,这与其他方法生长的晶体只是受限于光学加工的表面损伤问题相比具有明显不同。KDP类晶体内部的缺陷或前驱体诱导激光损伤与晶体切向、激光波长及偏振方向等密切相关,使得应用于ICF激光驱动器中不同光学功能的、来源于同一晶坯的不同晶体元件也表现出损伤性能的差异性,因此其损伤机理非常复杂,迫切需要认识该类晶体的激光损伤机理问题。回顾了上海光学精密机械研究所联合福建物质结构研究所、山东大学等晶体研制单位联合开展的关于KDP类晶体激光诱导损伤特性的研究工作,进行了用于光开关、倍频以及混频等功能的KDP和不同氘含量DKDP晶体的激光损伤研究,指导了晶体生长工艺优化和过程关键因素控制,并对仍存在的问题及解决方案进行了展望,对于高性能KDP类晶体的研制以及在高功率激光系统中的合理应用具有参考价值。

惯性约束聚变激光驱动装置用光学元器件的研究进展

介绍了为提高惯性约束聚变(ICF)激光驱动装置的光束质量和输出功率,我国在神光系列激光装置的建设、运行和性能提升方面开展的工作。综述了我国近年来ICF激光装置用光学元器件的重要研究进展。文中涉及了高纯金属铪和磷酸二氢钾(KDP)等原材料的制备和四大主材(钕玻璃、高纯度KDP、熔石英和KDP/高掺氘KDP(KDP/DKDP晶体)的熔炼、加工和生长。描述了元器件的冷加工(针对钕玻璃、白玻璃、KDP晶体)技术和镀膜技术(针对介质膜和化学膜)。最后,给出了针对大口径光学元件工序检及终检开展的多项关键检测技术。文中介绍的关键技术与工艺满足了绝大部分光学元器件的需求,显著提升了光学元器件的研发和生产能力。

HfO_2薄膜的结构对抗激光损伤阈值的影响

利用蒸发氧化铪和离子辅助蒸发金属铪反应沉积氧化铪薄膜,对两种工艺下制备的氧化铪薄膜进行光学和结构以及激光损伤特性的研究 实验结果表明,用金属铪反应沉积的氧化铪薄膜不仅结构均匀,并且具有较高的激光损伤阈值 文章对损伤阈值和薄膜的结构及光学特性之间的关系进行了讨论.

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。

高斯光束的合成特性分析

建立了矩形阵列高斯光束合成模型,采用数值模拟方法计算了光束间距、单元光束特性以及阵列结构等参数对非相干合成和同相位相干合成的远场峰值强度及光束质量的影响,描述了非同相位相干合成可能产生的结果,讨论了同轴与非同轴合成,相干与非相干合成的特点。结果表明:非相干和同相位相干合成时的光束质量随着单元光束的增多而变差,并且随着光束间距与单元光束束腰之比的增大而下降;而非同相位相干合成的结果较为复杂,可能产生完全相消干涉,合成光束"重心"离轴及束腰位置偏移等现象。分析认为:同轴合成可以获得最佳的光束质量,是值得采用的合成方式。此外,同轴相干合成优于非相干合成的充分条件是将单元光束之间的相位差控制在(-π/4,π/4)以内。

石英晶体振荡法监控膜厚研究

给出了石英晶体振荡法监控膜厚的基本原理 ,在相同的工艺条件下分别用光电极值法和石英晶体振荡法监控膜厚 ,对制备的增透膜的反射光谱曲线进行了比较 ,并对石英晶体振荡法的监控结果做了误差分析 结果表明 :石英晶体振荡法不仅膜厚监控精度高 ,而且能监控沉积速率 ,获得稳定的膜层折射率 。

离子辅助沉积中离子束流密度的作用

测量了EndHall离子源在不同条件下的离子束流密度,在不同离子束流密度下进行了Ar离子辅助沉积ZrO2薄膜的实验,研究了离子束流密度对薄膜折射率、晶相的影响根据动量传递模型分析了离子束流密度对薄膜折射率的作用;

真空紫外到深紫外波段基底材料的光学特性

研究了真空紫外到深紫外波段常用的基底材料，给出了常用基底材料的光学特性和在真空紫外波段的截止波长，测量了这些材料在120～500nm的透过率，给出了通过透过率计算弱吸收基底光学常数的计算方法，并用该方法得到了熔石英、氟化镁晶体、氟化钙晶体、氟化锂晶体在120～500nm的折射率和消光系数，对这些常用基底的使用范围和特点进行了一定的比较和分析，并将所得基底的光学常数与公开发表的文献进行了比较，证明了所得结果的可靠性。

多脉冲激光作用下光学薄膜损伤的累积效应

研究了高反射膜在多脉冲激光作用下损伤的累积效应·实验中使用1064nm调Q的Nd∶YAG激光器,脉宽是12ns,频率为10Hz·实验发现:高反射膜的损伤阈值随辐照脉冲数增加而降低,表现出明显的累积效应·通过对损伤阈值和损伤概率以及辐照次数的统计性研究,并结合单脉冲辐照的结果,说明了存在于薄膜中微小的缺陷参与了多脉冲激光对薄膜的损伤过程,得到了制备IBS高反射膜的损伤阈值和照射次数的关系式,用Nomarski偏光显微镜观察了实验过程中样品的损伤形貌,发现是典型的缺陷损伤·

光学薄膜膜厚自动控制系统的研究

介绍了一种利用光电极值法同时控制规整膜系和非规整膜系的方法,利用VC++编写程序实现对光学监控信号的采集、处理及停镀点的自动判断,实现了规整膜系和非规整膜系膜层厚度的自动控制.并利用该膜厚自动控制系统实验制备了规整膜系和非规整膜系多层膜,实验结果表明:利用该系统镀制的薄膜重复性良好,且光谱曲线和理论光谱曲线吻合较好.该系统解决了非规整膜系的监控问题,由计算机控制膜层的停镀点,排除了人的主观因素对薄膜的性能及其制备的重复性产生的影响,提高了薄膜镀制的重复性和成品率.

光学元件的激光损伤问题

光学元件是各类激光系统不可或缺的光学功能实现部件,其性能决定了激光系统的输出能力和光束质量。光学元件的激光损伤问题从激光发明起就一直伴随着激光技术的发展,随着激光新技术的发展和激光新应用的牵引,激光的波段、脉冲宽度以及重复频率等参数不断拓宽,使得激光损伤问题更加复杂,但万变不离其宗,激光损伤问题的核心是光学元件或光学材料对激光的吸收机制问题。从激光与光学材料相互作用的基本原理出发,以惯性约束聚变(ICF)激光驱动器应用的典型光学材料和光学元件为研究对象,回顾了针对光学元件的激光损伤问题开展的科研工作,总结了在此期间形成的关键技术和里程碑进展,同时也对依然困扰该领域的几类光学元件存在的问题瓶颈以及进一步研究发展趋势进行了展望。

沉积温度对HfO_2薄膜残余应力的影响

用电子束蒸发方法制备了HfO2薄膜,根据镀膜前后基片曲率半径的变化,用Stoney公式计算了薄膜应力,讨论了沉积温度对薄膜残余应力的影响.结果发现,HfO2薄膜的残余应力均为张应力,应力值随沉积温度的升高先增大后减小,在280℃左右出现极大值.对样品进行了XRD测试,从微观结构上对实验结果进行了分析,发现微结构演变引起的内应力变化是引起薄膜残余应力改变的主要因素,HfO2薄膜在所选沉积温度60～350℃内出现了晶态转变,堆积密度随温度升高而增大.

不同类型蒸发源对平面夹具薄膜均匀性的影响

分析了几种可能的实际蒸发源与薄膜均匀性的关系,其中包括扩展的平面蒸发源和曲面蒸发源。通过实验论证了薄膜均匀性对蒸发源尺寸和蒸发特性的依赖关系。得到的分析结果表明:当蒸发源半径和夹具高度的比值小于1/17时,蒸发源可以被视为一个点面源;大于1/10时,应当把蒸发源视为面面源进行考虑。当挖坑深度和蒸发源半径的比值介于0和0.5之间时,挖坑对薄膜均匀性造成的影响基本可以忽略;大于0.6时,挖坑效应明显影响薄膜的均匀性。

窄带薄膜偏光分束镜的研制及其性能测试

本文采用非MacNeille形式的薄膜偏光分束镜的设计,在K9基体上交替镀制了ZrO2和SiO2薄膜,从而在690nm处实现了P光和S光的偏振分光搭建了三个偏光测试系统对样品的偏光性能进程了测试,测试结果表明透射率曲线和理论设计曲线吻合得很好;透射P光的消光比优于1.3×10-3,可以作为优良的起偏镜;

真空退火对355nmAl_2O_3/MgF_2高反射薄膜性能的影响

采用电子束蒸发沉积技术制备了355nmAl2O3/MgF2高反射薄膜,并在真空中进行不同温度梯度的退火,用X射线衍射(XRD)观察了薄膜微结构的变化,用355nmNd:YAG脉冲激光测试了薄膜的激光损伤阈值,用Lambda900光谱仪测试了薄膜的透过和反射光谱。结果表明在工艺条件相同的条件下真空退火过程对薄膜的性能有很大的影响,退火温度梯度越小的样品,吸收越小,阈值越大,并且是非晶结构。选择合适的真空退火过程可以减少355nmAl2O3/MgF2高反射膜的膜层吸收,提高薄膜的激光损伤阈值。

1064nm与532nm激光对电子束蒸发制备的HfO2／SiO2高反膜损伤比较

研究了电子束蒸发制备的HfO2/SiO2高反膜在1 064 nm与532 nm激光辐照下的损伤行为。基频激光辐照时损伤形貌主要为节瘤缺陷喷溅留下的锥形坑,当能量密度较大时出现分层剥落;二倍频激光损伤主要是由电子缺陷引起的平底坑,辐照脉冲能量密度稍高时也会产生吸收性缺陷引起的锥形坑,但电子缺陷的损伤阈值更低;随着辐照脉冲能量密度的增大分层剥落逐渐成为主要的损伤形貌。分析认为,辐照激光波长的变化,引起吸收机制的变化从而导致了损伤阈值及损伤机制的差异。

薄膜厚度对HfO_2薄膜残余应力的影响

HfO2薄膜是用电子束蒸发方法制备的,利用ZYGO干涉仪测量了基片镀膜前后曲率半径的变化,计算了薄膜应力。对样品进行了XRD测试,讨论了膜厚对薄膜残余应力的影响。结果发现不同厚度HfO2薄膜的残余应力均为张应力,应力值随薄膜厚度的增加而减小,当薄膜厚度达到一定值后,应力值趋于稳定。从微观结构变化对实验结果进行了分析,发现微结构演变引起的本征应力变化是引起薄膜残余应力改变的主要因素。

高性能偏振膜的研制

综述了国内外科研人员在高性能偏振膜的研制方面开展的工作,主要涉及偏振膜光谱性能、抗激光损伤阈值和膜层应力控制等方面的研究。针对我国神光系列装置对偏振膜的性能要求,简述了中国科学院上海光学精密机械研究所采用电子束沉积技术在光谱性能、损伤阈值和面形精度三个方面开展的研究工作。给出了在薄膜设计、制备和后处理等方面进行的研究和取得的进展。结合上述研究成果,得到了低缺陷密度、低应力的高性能偏振膜。由本科研团队研制的布儒斯特角薄膜偏振器在在2012年和2013年SPIE激光损伤国际会议(SPIE Laser Damage)组织的全球性偏振膜激光损伤阈值水平竞赛中连续取得了p分量损伤阈值和平均损伤阈值最佳的结果。另外,通过解决应力诱导膜层龟裂的重大技术问题,在国内首先推出了大口径偏振片,该大口径偏振片满足透射率TP>98%,反射率RS>99%的光谱性能要求和17J/cm2(9ns)的通量运行要求,有力支撑了我国SGII-UP大型激光装置的稳定运行。