K9和熔石英玻璃纳秒基频激光损伤特性的实验对比研究

利用光学元件基频激光损伤测试平台,通过实验测试相同条件下K9和熔石英两类常用光学元件的初始损伤阈值、损伤增长阈值和损伤增长规律,对比研究了两类光学元件的基频激光损伤特性.结果表明,K9和熔石英光学元件的初始损伤阈值基本相同,损伤面积增长都遵循指数性增长规律,损伤深度成线性增长.但两者损伤增长特性仍有很大的差别,与熔石英相比,K9激光损伤增长阈值较低,并且相同通量下的激光损伤增长更为迅速,通过两类光学材料抗压性能的巨大差异很好地解释了这一现象.该研究结果对国内高功率激光装置的透射光学材料工程应用有非常重要的参考价值.     

激光诱导损伤对熔石英玻璃弯曲强度弱化影响及安全设计

激光诱导损伤是导致熔石英真空光学元件突发破裂的根本原因。本工作采用神光-Ⅲ原型装置终端光学组件的熔石英真空光学元件制作了标准样品,统计分析了熔石英玻璃样品表面损伤形貌特征,探究了激光诱导损伤对熔石英玻璃样品弯曲强度的影响。结果表明:激光诱导熔石英玻璃损伤点形貌为典型的半椭球体,损伤点深度随其长度增大呈上升趋势,深度极限基本不超过2mm;损伤点对熔石英玻璃弯曲强度影响非常明显,含损伤点的样品平均弯曲强度仅为不含损伤点样品平均弯曲强度的41%。随着损伤点长度和深度增大,熔石英玻璃的弯曲强度总体呈下降趋势,但当损伤点长度大于15 mm,弯曲强度下降趋势明显缓和,损伤点长深比对弯曲强度无明显影响。熔石英玻璃真空窗口光学元件安全设计,应考虑玻璃弯曲强度离散性及持久应力作用综合影响,且在损伤点位置处的最大弯曲拉应力不应超过其弯曲强度设计值。     

不同化学蚀刻法对石英基片激光损伤阈值的影响

为提高三倍频光学元件的表面损伤阈值,采用了不同方式对石英基片进行酸蚀刻,利用原子力显微镜观测了基片蚀刻前后的表面微观形貌,并在激光损伤测量装置上进行了R:1方式的阈值测试,比较分析了蚀刻前后基片激光损伤阈值和表面形貌的变化,并比较了不同抛光质量石英基片蚀刻效果的差异.通过实验研究,总结了不同蚀刻方式的优缺点,研究表明酸蚀刻法可以有效提高石英基片激光损伤阈值.     

熔石英元件抛光加工亚表面缺陷的检测

亚表面缺陷的准确检测是进行亚表面损伤研究的前提和基础,对保证光学元件加工质量至关重要.基于HF酸化学蚀刻法对熔石英元件抛光加工产生的亚表面水解层、缺陷层深度和亚表面损伤形貌进行了定量检测,并利用X射线荧光光谱法研究了熔石英抛光试件杂质元素的种类和元素含量沿深度分布规律,提出了熔石英元件抛光加工亚表面损伤深度的判定方法.研究表明:由于水解层和亚表面缺陷层的存在,熔石英抛光试件的蚀刻速率随着时间的增加呈现递减的趋势,且在蚀刻的初始阶段蚀刻速率下降尤为明显;当蚀刻深度超过某一特定值后,全部或部分覆盖在水解层以下的缺陷层将会被完全蚀刻去除,蚀刻速率基本保持不变;另外,熔石英抛光试件存在多种形式的表面及亚表面缺陷,在不同蚀刻深度,亚表面损伤形貌、划痕的宽度和深度也存在一定的差异.     

熔石英在3ω激光下输入输出面的阈值分析

在紫外激光条件下对熔石英样品输入输出面进行了损伤阈值测试,测试结果表明熔石英样品输入面损伤阈值是输出面的1.25倍.其损伤形貌基本表现为小麻孔聚集和烧蚀疤痕,表明其损伤由激光驻波场和烧蚀共同引起,并用激光压力模型对其损伤机理进行了分析.     

化学处理对熔石英表面抗激光损伤阈值的影响

分析了HF酸腐蚀时间对熔石英抗激光损伤阈值的影响.用浓度为4%的HF酸腐蚀15min后,测得熔石英抗激光损伤阈值提高了53.1%,并对其机理作了分析.激光损伤实验使用波长为355nm,脉宽为10ns,频率为3Hz的Nd:YAG调Q激光器测试系统.当泵浦激光辐照熔石英样品表面时,后表面比前表面更容易发生激光诱导损伤,HF酸腐蚀的程度对前后表面抗激光损伤阈值比基本没有影响.对实验样品在HF酸腐蚀前后表面粗糙度的测量结果表明,HF酸腐蚀时间较短时实验样品表面粗糙度基本无变化,如果选用的样品存在较多的表面及亚表面缺陷,当HF酸腐蚀去除掉重沉积层后,表面粗糙度将急剧上升.     

Ni-P化学镀层在动态加载条件下的塑脆转变

利用单摆划痕法的动态加载特性，研究了Ni—P化学镀层本身的塑脆转变。镀层的塑脆转变除可采用Lamy建议的塑脆转变深度D′判据外，还提出用新定义的临界法向力Fnc来表征。根据划痕深度d和法向力Fnc的大小，可把坡层在划痕过程中的力学行为分为塑性变形、塑脆转变和脆性断裂三个阶段。分析讨论了磷含量和热处理温度对塑脆转变的影响。     

单晶氮化镓纳米压痕与划痕实验

为分析单晶氮化镓的微观变形机理,使用纳米压痕仪对单晶氮化镓进行压痕与划痕实验.结果表明单晶氮化镓压痕过程存在弹塑转变过程即"pop-in"现象,分析得出此现象是由材料的位错萌生和扩展导致,压痕周围产生凸起现象导致计算硬度和弹性模量偏大,通过模型修正得到更真实的硬度和弹性模量数据.单晶氮化镓的变载划痕过程发生弹塑转变和脆塑转变,弹塑变形阶段深度-位移曲线波动平稳,表面光滑;而脆性阶段曲线波动幅度较大,表面产生侧向裂纹且朝着划痕方向45°对称分布.得到弹塑转变的临界载荷为389 mN,脆塑转变临界载荷为1227 mN,因此单晶氮化镓塑性加工区域应在389～1227 mN之间,该区域内易加工出光滑表面.通过不同载荷划痕实验,发现划痕压头所受的切削力和摩擦系数随划痕载荷的增大而增大,因此氮化镓加工时应选择合理的加工载荷.     

残余应力对介质高反膜面型影响的研究

使用有限元分析方法对介质激光高反镜镀膜前后的元件面型变化及膜层应力分布进行研究,仿真结果表明:残余应力和热应力都呈层状分布,基底应力从下到镀膜面由拉应力变为压应力,应力引起面型变化呈环状分布。对于熔石英基底,当厚径比小于1∶20时,重力引起的变形不可忽略。当熔石英(φ=200 mm,d=2 mm)表面为由重力引起的曲面且膜系为G│(HL)~(10)H│A的TiO_2-SiO_2组合时,镀膜元件面型变化减小1.45μm,修正了理想平面镀膜仿真的不足,为大口径微变形镀膜元件的制备提供指导。     

CO2激光对熔石英损伤修复的研究进展

CO2激光对熔石英损伤修复的机理主要是通过激光的热效应使表面发生熔融,对损伤处起到弥合作用使元件的表面结构趋于完整。近几年CO2激光修复的方法按激光扫描方式可以分为光栅式扫描法和振镜扫描法。利用逐渐提高功率的扫描方式可以有效减少修复过程中气泡的产生,用高温退火的方式可以完全消除或者消除大部分修复后产生的应力,这取决于损伤点的尺寸。多种处理工艺相结合的方法可以有效提高修复后的损伤阈值。     

紫外光纤的激光传输特性测试

为适应紫外激光传输需要，试制了高透过紫外石英光纤，设计了实验装置，并测量了该种光纤的紫外传输损耗、弯曲损耗、激光损伤阈值和非线性光学效应，并与普通商用石英光纤作比较。分析并获得了紫外光纤的激光传输特性。     

纳秒激光辐照对类金刚石薄膜的损伤及改性

利用Nd:YAG纳秒激光(波长分别为355、532和1 064 nm)辐照由电子束蒸发技术制备的类金刚石(DLC)薄膜,通过光学显微镜、光学轮廓仪和拉曼光谱仪等分析了辐照后的薄膜样品,结果表明:不同波长的单脉冲激光辐照时,DLC膜的激光损伤阈值不同;同一波长的多脉冲激光辐照时,损伤阈值低于单脉冲辐照阈值;脉冲激光辐照对DLC膜具有改性作用,受辐照薄膜区域表层发生了石墨化、剥落和气化效应,致使DLC膜表面出现了隆起和弹坑,隆起高度和弹坑深度与激光能量密度大小和脉冲个数有关.     

深紫外宽入射角范围增透膜设计与制备

在大数值孔径深紫外光学系统中,需要使用宽入射角范围的增透膜光学元件.选择LaF3和MgF2两种镀膜材料,设计了适用于深紫外宽入射角范围的三层、五层和七层三种增透膜系.实验使用热舟蒸发在熔融石英基底上镀制了设计的薄膜,并用紫外分光光度计对其光谱性能进行了测试,得到了在宽入射角范围内具有较高透过率的深紫外增透膜元件.双面镀五层增透膜系的熔石英基片在0°～55°入射角内的剩余反射率小于2.5％,在0°～20°入射角内的透过率大于98％.     

用于金属薄膜刻蚀的激光束能量分布整形研究

针对碳纤维复合材料基底上的金属薄膜图形刻蚀需求,研究了一种基于光学波前衍射变换原理的能量/激光功率密度分布整形方法,并设计制作了衍射元件。利用基模(TEM00)和非基模输出的红外激光分别进行了验证实验,用整形后的激光光束进行刻蚀,金属薄膜被完全去除,刻蚀边界锋锐整齐,基底没有可见的损伤。衍射元件对于基模模式输出激光的转换效率为71%,对非基模模式的转换效率为53%。     

不同周期膜系结构对1064nm高反膜的激光损伤阈值的影响

基频高反膜元件由于较易受到激光损伤而严重影响激光系统正常工作,因此研究高反膜的激光损伤原因及损伤机理成为一个急需解决的问题。本文搭建激光损伤阈值测试平台,对不同周期膜系结构的1064 nm激光高反膜的激光损伤阈值的影响进行了研究。研究结果表明,相比较于G|(LH)~9L|A膜系,G|(HL)~9L|A这种周期结构的薄膜的激光损伤阈值较高,且损伤形貌以熔融型为主。     

溶胶-凝胶SiO2减反膜的制备与光学性能研究

碱催化溶胶-凝胶多孔SiO₂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SiO₂减反膜为基础,通过提拉法在其表层涂覆致密的SiO₂薄层后得到机械强度提升的双层SiO₂减反膜(SiO₂-MTES),并与常用的单层氨固化SiO₂减反膜(SiO₂-HMDS)进行相关应用性能的综合比较。结果表明,涂覆SiO₂-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SiO₂减反膜的零几率激光损伤阈值为51.9 J/cm²(1064 nm, 9.1 ns),与涂覆SiO₂-HMDS的性能相当。同时, SiO₂-MTES膜层与水的接触角达到117.3°,...     

微射流抛光机理仿真及实验研究

为实现193 nm投影物镜光学元件的超光滑加工,介绍了一种非接触式微射流超光滑表面加工方法,对该方法的材料去除特性和超光滑加工效果进行研究.首先,采用计算流体动力学理论对其材料去除机理进行了仿真研究,通过对微射流流场的压力、速度和表面剪切力的分析得到其去除函数形状与表面剪切力的分布相反,呈现W型.随后,采用正交法对各工艺参数对抛光效果的影响进行了综合分析,结果表明材料去除效率随入射速度和磨料浓度的增大而增大,随工作距离增大而减小,并且工作距离具有显著影响,为实验研究中工艺参数的选取提供了指导意义.最后,在自研的微射流抛光机床上对一平面熔石英进行了抛光实验,加工样件表面粗糙度均方根值由初始的1.02 nm降为0.56 nm.实验结果表明,微射流抛光技术可以用于光学元件的超光滑加工.     

45钢表面激光熔覆NiCrBSi涂层的组织和摩擦磨损性能

采用激光熔覆技术在45钢表面制备NiCrBSi合金涂层,利用EPMA,SEM和TEM分析了激光熔覆层的微观组织,测试了激光熔覆层在不同环境气氛压力下的摩擦磨损性能.结果表明:激光熔覆层由熔覆区(CZ)、结合区(BZ)和基底热影响区(HAZ)三个区域组成.熔覆区的组织是在γ-Ni树枝晶和γ-Ni Ni3B共晶的基体上分布着细小的CrB颗粒和Cr7C3树枝晶,结合区是基底材料和熔覆材料的混熔区,呈定向凝固特征,基底热影响区为针状马氏体组织.激光熔覆层的摩擦磨损性能与环境气氛压力密切相关,随环境气氛压力的降低,摩擦系数增大,磨损量减少.     

激光预处理对增透膜阈值的影响

激光预处理是提高光学薄膜激光损伤阈值的有效方法之一。本文就激光预处理前后增透膜损伤阈值的变化、破斑深度的变化、膜层中电场分布情况，分析了激光预处理对阈值的影响及原因。     

辐照对红外熔石英性质的影响(英文)

研究了高能电子、高能质子辐照对红外熔石英性质、光学面形的影响。研究了高能电子对红外熔石英面形的影响 ,结果表明 ,没有明显的面形变化。研究了高能质子对红外熔石英面形、可见和红外反射特性的影响。研究结果表明 ,没有观察到高能质子辐照对红外熔石英面形和反射特性的影响