激光损伤阈值自动测量装置及实验

设计并搭建了一套1064 nm、532 nm的双波长光学元件激光损伤阈值自动测量装置,用于光学元件膜层激光损伤阈值的自动化检测。装置主要由脉冲激光光源、光束参数诊断组件、损伤在线诊断组件、待测件扫描运动平台和控制系统组成。整个测量装置和测量过程由基于Labview编制的计算机综合测量软件自动控制,可实现损伤阈值在0.1 J/cm^(2)~100 J/cm^(2)能量密度范围内的自动测量,并利用该装置对1064 nm增透膜和铝反射膜样品进行了测量,得到损伤阈值分别为27.09 J/cm^(2)和3.21 J/cm^(2),相对不确定度分别为3.91%和5.61%。

激光损伤阈值测试

由西安工业大学苏俊宏团队设计、研发的激光损伤阈值测试仪,具有数字化、智能化、集成化特点,操作简单,全自动测试,激光损伤阈值的测试可一键完成。同时采用触摸屏输入输出,具有100~450倍显微校验系统,对可疑点可随时进行校验。能够实现光学元件或薄膜的激光损伤阈值测试,还可进行薄膜元件的激光预处理,提高其激光损伤阈值。

激光损伤阈值测试

由西安工业大学苏俊宏团队设计、研发的激光损伤阈值测试仪,具有数字化、智能化、集成化特点,操作简单,全自动测试,激光损伤阈值的测试可一键完成。同时采用触摸屏输入输出,具有100~450倍显微校验系统,对可疑点可随时进行校验。能够实现光学元件或薄膜的激光损伤阈值测试,还可进行薄膜元件的激光预处理,提高其激光损伤阈值。

高抗激光损伤阈值光栅后处理抛光技术研究

脉冲压缩光栅是实现高能量激光的核心光学元器件,其制造过程中产生的表面污染物和微结构缺陷成为限制高功率激光系统发展的技术瓶颈,为了提升光栅的激光诱导损伤阈值,提出利用磁性复合流体进行脉冲压缩光栅(PCG)后处理抛光研究。对抛光前后光栅样品的微观结构,表面形貌、表面粗糙度、衍射效率和激光诱导损伤阈值等参数进行测量,进行抛光前后光栅表面质量和光栅性能的评估。研究发现,磁性复合流体抛光能够在不破坏实际光栅结构的前提下抑制加工过程产生的毛刺,微结构缺陷等;经3 min抛光后,光栅顶部表面粗糙度从21.36 nm下降到3.73 nm;激光诱导损伤阈值从2.8 J/cm^(2)提高到3.8 J/cm^(2),抗激光损伤性能提升35.7%,且不影响衍射效率。实验结果表明:磁性复合流体抛光是一种可以提高光栅元件表面质量,提升光栅元件光学性能的有效方法。

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.

1064nm高反射薄膜激光损伤阈值测量方法

参照国际上对激光损伤阈值不同测量技术建立起来的相应检测规范和标准,分别采用1-on-1,S-on-1,R-on-1和光栅扫描共4种测量方式,在1 064 nm波长下对HfO2/SiO2周期性高反射薄膜进行了激光损伤阈值的测量研究。根据测量结果,比较并分析了这4种测量方式之间的差异,重点研究了R-on-1和光栅扫描测量方式中存在的激光预处理效应对薄膜损伤阈值的影响,以及辐照激光光斑尺寸与损伤阈值之间的联系,并讨论了光栅扫描方式中预处理效应与扫描间距和扫描能量密度梯度的关系。研究表明:R-on-1方式下测得的损伤阈值最高,光栅扫描和1-on-1次之,S-on-1最小;1 000个脉冲激光辐照下的累积效应不显著,并且在激光光斑尺寸的差异较小时,阈值与光斑尺寸的对应关系并不明显;光斑尺寸相同时,扫描光斑的间距越小,激光预处理效果越好。

KDP晶体微纳米加工表层缺陷对其激光损伤阈值的影响

使用有限元方法分析了在激光辐照条件下,KDP晶体已加工表面存在的残余内应力、微裂纹及微孔等多种微纳米加工表层缺陷对晶体激光损伤阈值的影响。通过分析发现:KDP晶体微纳米加工表层缺陷的存在,会影响晶体表面的温度场及热应力场的分布,使入射激光的能量积聚在缺陷附近的很小范围内,造成晶体缺陷处产生局部熔融现象,从而使KDP晶体产生损伤,降低KDP晶体的激光损伤阈值。针对微纳米表层的微裂纹进行了损伤阈值测试实验,结果表明微裂纹的存在会降低KDP晶体的激光损伤阈值(约降低3J/cm2),实验结果与仿真结果符合得很好。

He-Ne散射光检测光学薄膜激光损伤阈值

准确测定光学薄膜的激光损伤阈值可以衡量光学薄膜的抗激光损伤能力,测定损伤阈值的关键是准确地判定损伤的发生与否。建立了He-Ne散射光检测光学薄膜激光损伤阈值系统。通过测量同一样品点的He-Ne散射光能量变化来判断薄膜表面发生的损伤,并对制备的类金刚石薄膜与HfO2/SiO2反射膜进行了阈值测试。与等离子体闪光法的阈值测试结果进行比较,具有较好的一致性。分析表明:He-Ne散射光测试系统能有效地判断出激光诱导损伤,易于实现在线检测。

光学元件改性处理对激光损伤阈值的影响

针对355nm激光作用于熔石英光学元件后其损伤阈值容易变差的问题,提出使用1.7%纯HF溶液和0.4%HF与1.2%NH4F混合的BOE溶液对样品进行处理来提高它们的激光诱导损伤阈值(LIDT)。在相同的条件下将熔石英光学元件浸没到上述两种不同的刻蚀溶液中进行处理,通过测量刻蚀过程中元件重量变化来计算刻蚀速率,利用Zygo轮廓仪测试元件表面粗糙度,然后对355nm激光照射下熔石英元件的损伤阈值情况进行研究。损伤测试表明,LIDT与元件的材料去除深度有关系,用两种刻蚀液刻蚀去除一定深度后,LIDT均有增加,但是进一步去除会显著地降低元件的LIDT。在处理过程中,这两种刻蚀液的去除速率都很稳定,分别为85.9nm/min和58.6nm/min左右。另外,元件表面的粗糙度会随着刻蚀时间的增加而变大。在刻蚀过程中还通过纳米技术测量了熔石英元件表面的硬度及杨氏系数,不过没有证据表明其与激光诱导损伤有明确的关系。

应用离子后处理技术提高薄膜激光损伤阈值

利用电子束热蒸发方法在K9玻璃基底上沉积氧化锆薄膜,并对其中一些样品用低能 O+2 进行了后处理。采用表面热透镜技术测量薄膜样品表面弱吸收,采用显微镜观察样品离子后处理前后的显微缺陷密度。测试结果表明:经离子后处理样品表面的缺陷密度从18.6/mm2 降低到6.2/mm2,且其激光损伤阈值从15.9 J/cm2 提高到23.1 J/cm2,样品的平均吸收率从处理前的 1.147×10-4降低到处理后的 9.56×10-5。通过对处理前后样品的表面微缺陷密度、吸收率及损伤形貌等的分析发现:离子后处理可以降低薄膜的显微缺陷和亚显微缺陷,从而降低薄膜的平均吸收率,同时增强了薄膜与基底的结合力,提高了薄膜的激光损伤阈值。

氧分压对ZrO_2薄膜激光损伤阈值的影响

在不同的氧分压下用电子束热蒸发的方法制备了ZrO2薄膜。分别通过X射线衍射、光学光 谱、热透镜技术、抗激光辐照等测试,对所制备样品的微结构、折射率、吸收率及激光损伤阈值进行了测量。实 验结果表明,薄膜中晶粒主要是四方相为主的多晶结构,并且随着氧分压的增加,结晶度、折射率以及弱吸收均 逐渐降低。薄膜的激光损伤阈值开始随着氧分压增加从18.5J/cm2逐渐增加,氧分压为9×10-3Pa时达到最 大,值为26.7J/cm2,氧分压再增加时则又降低到17.5J/cm2。由此可见,氧分压引起的薄膜微结构变化是 ZrO2薄膜激光损伤阈值变化的主要原因。

环境气氛压强对熔石英紫外激光损伤阈值的影响

利用1：1，S：1，R：1方法，测试了不同真空度（10^-3～10^5Pa）和不同气氛（空气、氮气、氧气）环境下熔石英351nm激光损伤阚值，测试结果表明，用1：1，S：1方法测试得到的阈值在不同气氛压强下几乎相等；R：1损伤阈值受气压的影响较大，在小于等于10^3Pa气压下，较10^5Pa气压的阈值降低28％～41％；但R：1损伤闯值同气氛的关系不大，在同气压下差别小于10％，在测量值误差范围内。利用50％破坏几率对应的损伤阚值Fth（R：1）一半的激光能量密度辐照样品，考察其抗多脉冲辐照的能力，分析表明，在同样的能量密度辐照下，10。Pa空气及氮气环境和10^5Pa氮气环境下同样具有高的寿命；而106-3Pa高真空环境下其寿命较短，在10^-1Pa低真空环境下其寿命最短。

KDP晶体激光损伤阈值研究的新进展

本文回顾了近 10年来KDP晶体激光损伤阈值的研究进展 ,介绍了金属离子、瞬态双光子吸收对KDP晶体激光损伤阈值的影响 ,简述了金属离子和瞬态双光子吸收引起光热信号增强的关系 ,初步探讨了KDP晶体激光诱导损伤的机理 。

化学法制备的HfO_2薄膜的激光损伤阈值研究

采用化学法制备了HfO2介质膜,研究了热处理、紫外辐照以及Al2O3复合对HfO2介质膜激光损伤阈值的影响。采用红外光谱(FTIR)和X射线衍射仪对薄膜进行了表征,并用输出波长为1.064μm、脉宽为10 ns的电光调Q激光系统测试薄膜的激光损伤阈值。实验结果表明:采用150℃左右的温度对薄膜进行热处理可以提高薄膜的激光损伤阈值,所获得的薄膜的激光损伤阈值高达42.32 J/cm2,比热处理前的激光损伤阈值提高了82%;无机材料Al2O3的适量添加能够提高薄膜的激光损伤阈值,其中HfO2与Al2O3的最佳质量配比约为95∶5;另外,对薄膜进行适当的紫外辐照也可改善HfO2薄膜以及HfO2-Al2O3复合薄膜的抗激光损伤性能。紫外辐照对提高HfO2-Al2O3复合薄膜的激光损伤阈值效果尤为显著,辐照40 min后的激光损伤阈值达到44.33 J/cm2,比紫外辐照前的激光损伤阈值提高了90%。

Yb:GdVO_4晶体的光谱及激光损伤阈值

采用提拉法(Czochralski)生长出优质的GdVO4和Yb:GdVO4晶体,其中纯GdVO4晶体具有较高的透过率,可达81%.晶体在室温下的偏振吸收光谱与非偏振荧光光谱表明,Yb:GdVO4晶体是一种具有较大的吸收半峰宽和荧光半峰宽的激光晶体,分别为44～52nm和40～46nm;随着掺杂浓度增大,π偏振吸收系数呈现饱和趋势,且荧光峰的位置出现了红移.此外,还采用Nd:YAG激光器测试了晶体的激光损伤阈值,实验表明,随着Yb3+掺杂浓度从4.1at%增加到22.9at%,激光损伤阈值也相应地从19.9×109W/cm2逐渐减小到2.79×109W/cm2.

光学薄膜激光损伤阈值测量不确定度

光学薄膜的激光损伤阈值是评价其激光耐受性能好坏的一个重要指标。对薄膜激光损伤阈值的准确评价和测定,是判断其激光耐受性能和进行相互比对的基础。通过对激光损伤阈值测试系统误差的溯源分析和计算机模拟,给出了优化测试系统的方向。研究结果表明:在激光光斑确定的情况下,激光能量越高,能量密度的误差越大。因此在满足需要的情况下,应该尽可能选取较低的激光能量。在激光能量确定的情况下,存在一个临界光斑,当小于临界光斑时,能量密度误差变化非常剧烈,光斑越小,能量密度误差越大。测试系统的激光光斑大于临界光斑时系统的误差较小,小于临界光斑时系统的误差急剧变大。因此,在激光损伤阈值测试系统中,应该优选临界光斑或者大于临界光斑。激光损伤阈值拟合产生的最大误差为最大能级的激光能量误差,因此要尽可能降低激光器的脉冲能量。由此可见,设计合理的系统参数,可以最大程度降低测量结果的不确定度。

二氧化硅增透膜微观结构与激光损伤阈值的调控

采用溶胶-凝胶技术制备了二氧化硅增透膜,通过向溶胶中添加高分子聚乙烯醇缩丁醛(PVB),调控胶体的粒径,进而控制膜层微观结构,研究膜层微观结构与激光损伤阈值的关系。纳米粒度仪和扫描探针显微镜测试表明:PVB加入溶胶后,控制了二氧化硅胶粒的生长,使二氧化硅胶粒生长更均匀,因而膜层的微观结构更均匀。当PVB质量分数为1%时,胶体粒径为15nm,分散系数小于0.1。用该胶体镀膜,膜层均匀,表面粗糙度小于3.25nm。并且PVB加入后增加了膜层胶粒间的黏附性,使得膜层强度增大。PVB加入使膜层的激光损伤阈值有所增加。当PVB的添加量为1%时,膜层的激光损失阈值从30.0J/cm2增加到40.1J/cm2。膜层激光损伤阈值的增加与膜层微观均匀性和物理强度的增加有关。

一种激光损伤阈值测试新方法

随着激光器朝向大功率、高能量的方向发展,激光损伤阈值成为了衡量光学元件抗激光损伤能力的重要参数之一,因此,能否准确地测量出光学元件的激光损伤阈值成为研究的重点。而光学元件激光损伤阈值测试的关键是能否准确地判别光学元件是否发生激光损伤。为解决目前常见的损伤判别方法存在的精度低、识别时间长、适用材料范围窄、操作复杂等不足,提出了一种新的激光损伤的判别方法,即等离子体诊断法。以K9玻璃为例,搭建激光损伤阈值的测试平台,利用光纤光谱仪采集强激光辐照K9玻璃时所产生的激光等离子体闪光光谱,并对该光谱进行诊断分析,将该光谱中是否含有待测试光学元件材料中特征元素的光谱峰作为其是否收到激光损伤的标准。同时,对K9玻璃进行了激光损伤阈值的测试,并将测试结果与等离子体闪光法和显微镜法所测的激光损伤阈值进行了对比分析。实验表明,提出的等离子体诊断方法的判别精度高、速度快、测试装置结构简单,易实现在线测量,可以大大地提高光学元件激光损伤阈值测试工作的效率。

后处理对HfO_2薄膜光学特性及抗激光损伤阈值的影响

利用电子束蒸发技术制备了氧化铪薄膜,并分别用氧气氛下退火和激光预处理两种后处理方法对样品进行了处理。介绍了两种后处理工艺和相关的设备,测试分析了样品的透过率、吸收和抗激光损伤阈值。对比了两种后处理方法对降低吸收和提高激光损伤阈值的效果,讨论了它们的作用原理。实验结果表明,激光预处理能有效降低样品的吸收值,提高样品的抗激光损伤阈值。采用一步法(50%初始损伤阈值)预处理后,三倍频氧化铪薄膜的损伤阈值从13J/cm^2提升到15J/cm^2;采用两步法(依次50%、80%初始损伤阈值)预处理后,三倍频氧化铪薄膜的损伤阈值从13J/cm^2提升到17.5J/cm^2,损伤几率曲线整体向高通量区域平移。

氧离子束辅助沉积氧化铪薄膜的激光损伤阈值研究

电子枪蒸发制备了氧化铪薄膜,对氧离子束辅助和未辅助两种情况下的样品进行了折射率、吸收、激光损伤阈值等属性的测试,结果表明,氧离子束辅助沉积的样品与未辅助沉积的样品相比具有高的折射率和高的吸收,以及稍低的激光损伤阈值。经过分析发现,薄膜的激光损伤阈值是影响薄膜抗激光特性的不利因素和有利因素竞争的结果,离子束辅助沉积技术在引入结构致密等有利因素的同时,也引入了吸收增加等不利因素。