溶胶-凝胶SiO_(2)减反膜的制备与光学性能研究

碱催化溶胶-凝胶多孔SiO_(2)减反膜具有优异的光学性能及抗激光损伤性能,是高功率激光装置中的重要组成部分,但其与光学元件之间的结合强度低,使得膜层易发生接触破坏。本研究以“神光II”高功率激光装置溶胶-凝胶多孔SiO_(2)减反膜为基础,通过提拉法在其表层涂覆致密的SiO_(2)薄层后得到机械强度提升的双层SiO_(2)减反膜(SiO_(2)-MTES),并与常用的单层氨固化SiO_(2)减反膜(SiO_(2)-HMDS)进行相关应用性能的综合比较。结果表明,涂覆SiO_(2)-MTES的熔石英在约800 nm处的峰值透过率大于99.6%,运用1-on-1激光损伤阈值测试方法测得该双层SiO_(2)减反膜的零几率激光损伤阈值为51.9 J/cm^(2)(1064 nm,9.1 ns),与涂覆SiO_(2)-HMDS的性能相当。同时,SiO_(2)-MTES膜层与水的接触角达到117.3°,且在相对湿度大于90%的高湿环境中膜层的透过率较稳定。多次擦拭实验结果表明SiO_(2)-MTES的耐摩擦机械强度明显优于SiO_(2)-HMDS,有效提升了膜层与光学元件之间的结合强度。

不同2×2集束聚焦方式下高功率激光靶面光强分布特性

大口径高功率激光装置为提高激光靶面的光强强度,通常采用2×2集束聚焦的模式进行打靶.大口径楔形透镜是组成2×2集束聚焦系统的核心元件,可分为二维离轴楔形透镜、一维离轴楔形透镜和非离轴楔形透镜3类.为了获得理想靶面光强分布,基于这3类楔形透镜,对比研究相应2×2集束聚焦系统下的靶面光强分布特性.研究结果表明:相比离轴楔形透镜,采用基于非离轴楔形透镜的2×2集束聚焦系统时,容易在激光靶面获得更窄的主瓣宽度、更强的峰值强度、更高的能量集中度.研究结果对高功率激光靶场聚焦系统的配置选择有重要参考价值.

激光系统中高稳定性支撑镜架的结构设计研究

激光系统要求光束经长光程传输后具有优异的指向稳定性,而光束指向稳定性直接由支撑光学件的支撑镜架结构稳定性决定。为了实现光束的指向稳定性和准直性,常常要求光学镜架既具有优异的结构稳定性又具有良好的可调节性。可调节性由于引入了间隙配合,将引入不稳定性。针对支撑镜架中螺纹微调结构由于存在润滑脂而引入的不稳定性,提出了一种结构改进设计。在微调结构的螺母内螺纹面加工轴向槽,结合该结构进一步提出了一种热处理工艺,可以极大地减小润滑脂所引入的不稳定性。实验测试了两种结构的螺纹轴向间隙变化情况。进一步,对安装有槽结构的支撑镜架在热处理前后分别与无槽结构的支撑镜架进行稳定性对比实验,结果表明经热处理后的有槽微调结构可以极大地提升支撑镜架结构的稳定性。

工程陶瓷表面抗激光损伤能力研究

实验研究了纳秒激光辐照下不同材料的工程陶瓷表面的抗激光损伤能力,并与不锈钢、铝合金等金属材料进行了对比.结果表明,不同材料的工程陶瓷表面抗激光损伤特性不同;氧化铝陶瓷的损伤阈值最高,氮化硅陶瓷的损伤阈值较低.与金属材料相比较,工程陶瓷表面损伤阈值比不锈钢和铝合金高.由于材料的熔点和热传导率等热力学特性不同,不同的陶瓷材料具有不同的损伤阈值和损伤形貌.理论分析了不同材料抗激光损伤阈值的差异;陶瓷材料的吸收系数远远小于金属材料,吸收系数通过影响能量沉积区域和有效热扩散速率影响材料温度的演化过程,最终影响着材料的激光损伤阈值和损伤特性.实验结果为高功率激光装置中对抗激光损伤能力要求较高的机械支撑材料的选择提供了指导.

增益(损耗)介质中高功率激光束的小尺度自聚焦理论研究

将Bespalov Talanov理论推广到介质有增益 (损耗 )的情形 ,揭示了在介质有增益或损耗从而光强随传输距离变化的情况下小尺度自聚焦的特性 .主要是在一定的输入功率下 ,小尺度调制增长的临界频率、最快增长频率及其对应的最大增益 (B积分 )均随介质增益或传输距离的增大而增大 ;对于确定的输出功率 ,随介质增益的提高 ,B积分值变小 ,同时最快增长频率向低频方向移动 .利用局部能量守恒定律唯象地研究了增益和损耗对激光束成丝的影响 ,发现增益使成丝距离延长而损耗使成丝距离缩短 .讨论了介质增益和损耗对高功率激光放大器设计的影响 .尽量使激光器在小输入高增益状态下运行 ,可以从某种程度上抑制因小尺度自聚焦而导致的介质破坏效应 .

高功率激光片状放大器片腔内流场模拟及优化

片状放大器腔内钕玻璃表面的洁净度是保证放大器高工作性能和长寿命的关键指标,而合理的腔内流场分布是放大器保持腔内洁净的前提条件。运用计算流体力学方法,利用Fluent软件对纯氮气冲洗片状放大器过程中的腔内流场进行模拟,并在样机上验证了模型的有效性;通过调整放大器的进出气口结构及位置排布,获得了最佳的流场分布。实验结果表明,相比未优化放大器,优化后的放大器仅使用一半时间就可以达到相同的腔内洁净度等级,且钕玻璃表面洁净度更高。

高功率激光多程放大器的三维反演方法

针对高功率激光多程放大的三维反演问题,提出了基于修正增益迭代算法结合输入输出积分能量曲线法和基于修正输入脉冲的正向迭代算法。利用这两种方法对有增益分布的四程放大进行数值模拟验证,计算结果表明这两种迭代算法都是有效可行的,都可得到输入脉冲时空分离的三维强度分布。计算所得输出脉冲与需求值基本相同,输出能量的相对偏差小于10^(-7),第一种方法功率波形的相对偏差小于1%,第二种方法功率波形的相对偏差小于10^(-6),很好地解决了由放大饱和效应引起的时空演化畸变。第一种方法主要依靠正逆模型的自洽性,相对直观;第二种迭代算法引入反馈因子,所得结果的精度较高、拓展性强。

皮秒激光烧蚀K9玻璃后表面损伤研究

考察了利用皮秒激光烧蚀切割K9玻璃过程中后表面的烧蚀损伤现象,比较了前、后表面的烧蚀特性,分析了激光能量密度、扫描次数和扫描速度等因素对后表面损伤的影响。根据后表面烧蚀形貌和质量,优化了激光单行单次扫描时的激光能量密度和扫描速度等参数。讨论了后表面烧蚀损伤的机理,提出了抑制后表面损伤的方法。实验结果表明,激光聚焦在前表面进行烧蚀切割时,后表面会出现严重的烧蚀损伤,且后表面烧蚀形貌和规律与前表面的显著不同。

光寻址空间光调制器研制进展及性能测试

报道了自研的光寻址空间光调制器的最新进展,介绍了器件工作原理与结构,并对其光敏响应特性曲线、静态位相波前畸变、透射时间波形畸变的离线测试结果进行了报道,同时也利用该器件在高功率激光装置上进行了在线测试。结果表明,该调制器可以根据需求实现所需的强度透过率分布,而且对高功率激光系统没有引入附加的影响。最后,结合该调制器的实际使用环境,分析了激光系统空间滤波器对整形效果的影响,说明在高功率激光系统中使用该调制器时,空间滤波器尺寸也是决定光束整形精度的重要因素。

熔石英玻璃激光损伤的三维应力场研究

为了研究CO_(2)激光损伤后熔石英玻璃内部的三维应力场分布,采用脉冲CO_(2)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CO_(2)激光修复工艺的改进提供了理论依据。

激光系统中可调节支撑镜架的结构稳定性研究

激光器输出功率稳定及高功率激光装置中长光程传输光束指向稳定,都对维持光学件位置的支撑镜架稳定性提出了很高的要求。为了维持光束的准直性,支撑结构必须兼顾可调节性和稳定性,而可调节性将引入不稳定性。本文针对可调节支撑镜架中常用的调节结构提出一种结构改进设计,通过添加单独起导向作用的精密滑动配合,实现对传统调节结构中导向与传动耦合的螺纹配合进行功能解耦,降低了螺纹配合中较大径向间隙对导向精度的影响,提高了镜架的稳定性;搭建了稳定性对比测试装置,实现在同一光路中对不同光学镜架的稳定性对比测试。实验结果验证了所提改进调节结构可有效提升光学支撑镜架结构的稳定性。

基于石英晶体天平和微纳光纤的有机污染物在线监测

为了监测高功率激光驱动器中有机污染物的挥发特性以及其在光学元件表面的沉积特性,研究了基于石英晶体微量天平和微纳光纤传感器的真空腔体内有机物在线监测技术.首先测试了不同分子态污染物浓度时石英晶体天平的响应性能,然后采用视角因子等分法对微纳光纤传感器和石英晶体天平进行对比实验,模拟有机污染物在光学表面沉积的特性.实验结果表明,石英晶体天平和微纳光纤测试有机物在光学表面沉积时响应一致,均可用于高功率激光驱动器有机污染物的在线监测;当污染物面密度大于0.5×10-5g/cm2时,微纳光纤传感器有较高精度和响应速度;有机污染物浓度越高,其更容易吸附沉积在光学元件表面.

钕玻璃片状放大器玻璃腔的概念设计

针对片状放大器片腔的洁净度问题,提出一种钕玻璃片状放大器玻璃腔的设计方案.选用滤紫外石英玻璃作为主框架的材料,对玻璃腔的结构和密封方案进行设计,并利用玻璃腔外表面镀金属材料的方式进行遮光.采用神光Ⅱ升级主放和100片状放大器进行不同腔体的洁净度对比试验,结果表明玻璃腔的洁净度较不锈钢腔提高了近70%.运用光学高级系统分析程序对玻璃腔进行光线追迹,其钕玻璃泵浦比例提高了8.84%.该方案不仅能减少腔内气溶胶的产生,还能提高钕玻璃泵浦比例.

时域整形皮秒激光双脉冲烧蚀玻璃表面特性

基于亚纳秒间隔的皮秒激光双脉冲,研究了双脉冲时域整形对K9玻璃表面烧蚀特性的调控规律。当子脉冲间隔为667 ps时,不同形状双脉冲下玻璃表面的烧蚀形貌随激光通量增加的变化规律明显不同,而泵浦通量起着决定性作用。当泵浦通量低于阈值时,双脉冲烧蚀特性基本与单脉冲相似;当泵浦通量在阈值附近时,泵浦脉冲对玻璃表面的微纳米尺度的烧蚀会显著增强探测脉冲的烧蚀效应。当泵浦通量高于1.3倍阈值时,泵浦脉冲在玻璃与空气界面附近产生冲击波,探测脉冲被冲击波的高密度前沿界面反射和干涉,在中心烧蚀区域周围产生了圆环状烧蚀形貌,且圆环分布与探测通量密切相关。双脉冲烧蚀的内径尺寸与泵浦通量相关,而外径尺寸与双脉冲的形状、通量均相关。对比研究了子脉冲间隔为333 ps和667 ps时的等通量双脉冲烧蚀形貌,结果发现:低通量下较小的脉冲间隔可以增强烧蚀效应;高于烧蚀阈值的泵浦脉冲会影响探测脉冲的能量沉积;两种脉冲间隔下环状形貌的不同反映了泵浦脉冲产生的冲击波的传输特性不同。最后基于实验结果讨论了双脉冲序列时域整形进行表面烧蚀调控的物理机制。

基于三阶色散的拍瓦激光信噪比主动调控技术

拍瓦激光系统中剩余的高阶色散导致了脉冲波形的振荡,影响了拍瓦激光的信噪比。为了进一步优化拍瓦激光的信噪比特性,满足激光加速电子、质子等粒子的效率提升需求,本文提出了一种基于双折射晶体的新型超短脉冲的三阶色散主动调控方法,用于信噪比的主动调控。通过数值分析模拟了双折射晶体引入的二阶色散、三阶色散,针对中心波长为1053 nm的拍瓦激光系统,选择适当的晶体厚度,可以通过调节双折射晶体的面内旋转角改变系统剩余三阶色散。同时,基于神光Ⅱ第九路拍瓦激光系统光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)预压缩的信噪比测量值,对比了不同量级剩余三阶色散对脉冲信噪比的影响,得出通过改变拍瓦激光系统中剩余三阶色散量,可实现不同量级信噪比的主动调控的结论。该研究结果对于高能激光系统剩余三阶色散的补偿以及信噪比的优化具有重要意义。

强光束局部小尺度调制致多路成丝现象研究

基于非线性Schr dinger方程模拟了Kerr介质中强光束局部小尺度调制致光束多路成丝现象 ,发现在一定的B积分范围内 ,光束局部小尺度调制基本上只从该局部本底场中吸收能量获得增长 ,从而将该局部光束分裂成细丝 .当光束不同部分的小尺度调制相隔较远时 ,各细丝的演化基本上不相关 .

表面改性多孔二氧化硅减反膜的稳定性研究

以正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶法制备SiO2溶胶,通过提拉法涂制多孔SiO2减反膜,并在多孔SiO2减反膜上涂制一层甲基三乙氧基硅烷(MTES)预聚体。通过疏水的MTES预聚体涂制在多孔SiO2减反膜上,对多孔SiO2减反膜的表面进行改性,以提高膜层的环境稳定性。经过表面改性的复合膜层的透过率峰值可达99.67%,折射率为1.231,水接触角达123.6°,在相对湿度为95%的环境中放置475 d后膜层的峰值透过率为99.09%,稳定性提高明显。膜层表面平整,激光损伤阈值约为24.5 J/cm^2。

紫外激光波长(266nm)多孔二氧化硅减反膜

以正硅酸乙酯作为前驱体,乙醇作为溶剂,氨水作为催化剂,在碱催化体系下制备了高分散的SiO2溶胶;然后采用提拉法在不同浓度的SiO2溶胶涂膜液中制备了四倍频266 nm波长增透的SiO2减反膜,并对各膜层的性能进行了测试。测试结果表明:在浓度最大的SiO2溶胶中以4.5 cm·min-1的提拉速度制备得到的四倍频SiO2减反膜的性能最优,其在266 nm处的透过率达到了99.307%,表面粗糙度为1.339 nm,且透过率稳定性优异。

非傍轴光束的小尺度自聚焦研究

基于非傍轴传输方程,利用线性扰动理论,得到了小尺度调制增长率的表达式.在此基础上,讨论了非傍轴对小尺度自聚焦的影响.通过对非傍轴和傍轴情形下小尺度调制的增益谱分析,发现非傍轴对小尺度调制的增益谱的影响程度与光束的强度有关,光强越强,影响越大.但总的趋势是非傍轴使小尺度调制增长的截止频率、最快增长频率和最大增长率减小。