CO2激光器在光学元件表面处理中的应用

介绍了CO2激光修复光学元件表面损伤用其对基片表面缺陷进行抛光的原理、内容以及最新进展，分析了CO2激光修复光学元件表面损伤对元件抗损伤阈值的提高所起的重要作用，并指出技术巾存在的问题。     

光学元件激光损伤在线检测装置

设计并搭建了一套光学元件表面损伤检测装置,用于激光损伤实验中光学元件表面损伤的自动化在线检测。装置主要由自动变倍显微相机、高精度位移传感器、两维扫描轴、调焦轴、快速复位平台和系统控制器组成。两维扫描轴按照规划好的弓形路径对光学元件表面激光辐照区域进行扫描,调焦轴对位移传感器反馈的离焦量进行实时修正,显微相机采集子图像并进行保存。首先,分析影响图像拼接精度的主要误差源并通过图像矫正等方法进行补偿;然后,利用图像拼接技术将矫正后的子图像矩阵进行高精度无缝拼接,得到大面积高分辨率的光学元件表面损伤图像;最后,对损伤图像进行后处理得到损伤个数和损伤面积等信息。实验结果表明:装置在5 min内实现了光学元件表面15 mm15 mm区域的扫描拼接和检测,成像系统分辨率优于228 lp/mm,图像拼接误差小于2 pixel。     

激光装置污染物诱导光学元件表面损伤实验研究

通过分析高功率激光装置内主要污染物成分及来源,研究其对大口径光学表面抗损伤能力的影响规律,得到装置光学表面洁净控制要求。利用扫描电镜对高功率激光装置内部的主要颗粒污染物进行取样分析;采用自然沉降的方法在光学元件表面制备污染物,并利用Nd∶YAG(SAGA-S)激光器研究其损伤阈值和损伤规律。研究结果表明,高功率激光装置内颗粒污染物的主要成分为金属、有机物和矿物质,占据比例分别为20%、40%和40%。激光辐照污染后的光学表面存在激光清洗和激光诱导损伤两种效应,当激光器能量密度超过10.9 J/cm2时,光学表面存在清洗作用。当激光能量密度超过14.6 J/cm2时,光学表面污染物引起损伤,且损伤随着污染物尺寸呈线性下降趋势。     

激光超声光学检测应用

激光脉冲照射样品表面会发出超声波,利用光学方法对超声波进行检测,可以对材料和产品质量进行无损评估。介绍了激光超声共焦法布里-珀罗(F-P)检测的原理,设计了一种新型共焦F-P干涉检测仪(CFPI),很好地解决了激光超声光检测中激光器的稳定问题和CFPI的稳定问题,用纯光学方法实现了真正意义上的无损检测应用,实验验证了该激光超声光学检测系统的实现方式。     

基于光学材料阈值测量时激光对焦方法研究

为了抑制非线性光学效应对光学材料表面损伤阈值测量的影响,设计了一种新的激光焦点对焦方法,利用激光对空气电离所发射的等离子体光线作为参照物进行焦点定位,对焦过程中,激光电离焦点处的空气形成等离子体亮点,该亮点通过光学材料表面形成镜像,由镜面成像原理可知样品表面位于等离子体亮点和其镜像连线的中点,调节亮点和镜像重合即可完成对焦。结果表明,该方法操作简便、精度高,这对光学材料的表面损伤阈值测量具有重要意义。     

化学清洗对玻璃表面层光学特性的影响

利用p-偏振双面反射法、原子力显微术及激光损伤实验，对经不同化学清洗的K9平板玻璃基片表面的光学特性进行了综合表征。实验结果表明，经酸洗的玻璃表面，其消光系数明显减小，而光洁度和激光损伤阈值明显提高；通过进一步的碱洗，玻璃表面的光学性能仍可得到一定的改善。另外,随玻璃基片清洗程序的不断深入,p-偏振双面反射法测得的玻璃表面层光学参量的变化趋势，与观测的表面粗糙度及激光损伤阈值的变化趋势一致。     

薄膜激光损伤的光声研究

高能激光系统所碰到的最严重的问题之一是光学元件被足够能量的激光脉冲辐射时发生不可逆的破坏性老化。这样的损伤会发生在材料的体内和表面。激光感应损伤目前是高功率激光系统设计中一个非常严重的限制因素。激光损伤似乎有多种不同的机理,但迄今并非所有的机理都为人们所了解。此外,激光损伤的数据难于获得,大部分是激光辐照后通过显微镜直观检验试样获得的。此过程虽有价值,但麻烦且数量受限制。很清楚,需要研究其它手段来检测和研究激光损伤。我们研究出了光声法,它能检测激光损     

光学元件亚表面损伤散射特性仿真研究

光学元件在研抛过程中不可避免地引入亚表层损伤缺陷,会破坏基底材料的均匀性,使入射的光波发生散射现象,严重影响产品光学性能。损伤隐蔽复杂的特点使得对其散射信号的研究变得十分困难。一种基于光散射法的亚表面无损检测方法——激光共焦显微检测方法,利用亚表面损伤对入射光的散射调制信号分析光学元件的亚表面损伤信息,具有快速、准确的特点。针对损伤的散射特性,结合时域有限差分法(FDTD),对颗粒状和微裂纹两类特殊损伤建立电磁仿真模型,研究聚焦光入射的散射光场分布,以及不同深度下探测得到光强变化曲线,得出损伤光强探测曲线能够反映出颗粒尺寸与深度及微裂纹宽度与深度的信息。研究结果对亚表面损伤无损探测方法的探索具有一定的理论指导价值。     

光学元件亚表面损伤检测技术研究现状

在传统光学加工过程中产生的亚表面损伤(SSD)会降低光学元件的使用性能和寿命,需要对其亚表面损伤进行检测从而在加工过程中加以控制.从破坏性和非破坏性检测方法两方面概括性地分析了光学元件亚表面损伤的检测技术,对各种检测方法进行了分析和讨论,并指出了各种方法的优缺点.指出了国内的亚表面损伤检测技术与国际先进水平相比存在的差...     

脉冲激光诱导TiO2/SiO2薄膜表面损伤性能实验

高功率的激光系统对光学元件的抗激光损伤性能的要求不断提高。主要研究薄膜在脉冲激光诱导作用下的损伤特性及其机理,实验采用YAG脉冲激光器对TiO2/SiO2薄膜样片进行1-on-1方式的激光诱导。实验结果表明:采用低能量激光诱导对薄膜的光学透过率影响不大。经低能量激光诱导后,薄膜的表面结构缺陷得以修复,表面结构趋于完整,变得均匀和细腻。脉冲激光诱导TiO2/SiO2薄膜样片,激光能量阶较小时,其损伤阈值随能量增加而增加,损伤阈值最大可增加1倍;激光能量阶较大时,其损伤阈值随能量增加而减小。     

光学元件的激光损伤阈值测量

激光损伤阈值的准确测量是研究高抗激光损伤光学元件的必要条件.分析了激光诱导损伤阈值的不确定度来源,包括激光能量测量、光斑有效面积测量、各能量密度处几率的计算以及对损伤几率点进行直线拟合4个方面.利用统计学原理和线性拟合等理论对不确定度分量及测试结果的相对合成不确定度进行了理论推导和计算.1 064 nm高反薄膜样品的实例分析表明,损伤阈值测量的相对合成不确定度为18.72%.     

薄膜激光损伤阈值标定技术

为了满足薄膜激光损伤阈值客观、准确、高精度测量的要求, 提出了损伤阈值标定技术。通过互换两个能量探测器位置的试验标定方法, 消除分光镜的分光误差和能量探测器的测量误差, 获得准确的辐照能量。再通过调整两个CCD位置获得相同光斑尺寸的测量方法标定被测样品表面与光斑面积测量面的等效, 并剔除激光光斑中非平顶部分, 获得准确的辐照光斑面积。最后采用最小二乘法对计算得到的能量密度及其对应的损伤几率进行拟合, 获得损伤阈值。通过对TiO₂/SiO₂高反射膜1064nm激光辐照测量实验, 得到23.0164J/cm2的薄膜激光损伤阈值。结果表明, 采用标定技术使薄膜激光损伤阈值的测量精度提高了9.26%, 满足高精度的测量要求。此研究有助于薄膜激光损伤阈值的准确标定。     

S-on-1测量方式下薄膜激光损伤的累积效应

为了研究薄膜激光损伤机理及影响因素,基于平顶光束辐照测量的原理,采用1064nm的Nd:YAG激光器,对电子束热蒸发方式镀制的HfO₂薄膜在重复频率激光作用下损伤的累积效应进行了理论分析和实验验证。运用损伤阈值的测量原理,分析了1-on-1和S-on-1两种测量方式的特点,并分别开展了测量实验。采用二分法查找辐照激光能量,每个能量密度辐照20个测试点,应用零几率损伤阈值和最小二乘法拟合确定测量结果。结果表明,对同种薄膜,1-on-1测量方式测得的损伤阈值为15.75J/cm2,S-on-1测量方式测得的损伤阈值为11.90J/cm2;从损伤阈值与损伤形貌两方面的对比表明,S-on-1测量方式体现了典型的累积效应。此结果对深入研究薄膜激光损伤的机理和影响因素具有重要意义。     

毫秒/纳秒激光致碳纤维环氧树脂损伤形貌研究

为了研究碳纤维环氧树脂在不同脉宽激光辐照下的损伤形貌,采用全自动变焦测量技术进行了实验验证,测量了碳纤维环氧树脂在毫秒/纳秒脉冲激光辐照下,损伤面积、损伤深度以及损伤形貌随激光能量密度的变化。结果表明,在毫秒脉冲激光作用下,材料损伤区域中心会产生一定的温度积累,损伤区域有一定的热效应,出现熔融、热解等现象,当激光能量密度为20.5J/cm2时,材料的损伤深度达到了47.3μm,材料表面析出的碳化物的高度为157.1μm,损伤深度以及表面碳化物的高度都随着能量密度的增大而增大;在纳秒激光作用下,光斑周围有明显的热反应区域,当能量密度大于47.3J/cm2时,表面的热反应区尤为明显,损伤面积随激光能量密度的增大明显增大,由于作用时间较短,损伤主要为表层损伤;树脂热解的气体向外膨胀,导致纤维结构断裂。研究结果为激光对碳纤维环氧树脂的损伤效果提供了实验依据。     

光学薄膜激光损伤阈值的智能检测研究

为了解决当前光学薄膜激光损伤阈值检测方法准确性差、可视化和灵活性不理想等难题,提出基于软件测试算法的光学薄膜激光损伤阈值检测方法。首先计算损伤阈值最终不确定度,并将不确定度计算结果代入损伤阈值检测中,然后利构成测量光路,激光在透镜上聚焦照射到待测样品上,根据测试软件程序对激光照射前后的图像进行预处理,判断是否存在损伤,若存在损伤,结合高斯光束理念获取有效光斑面积,最后损伤阈值,并进行了仿真实验,结果表明,该方法检测准确率和可视化程度高,且灵活性强。     

长脉冲致硅基 QPD损伤面积及形貌实验研究

为了研究硅基QPD在不同能量密度、不同脉宽激光辐照下的损伤面积、形貌,基于二维显微测量技术,测量了硅基QPD单一象限的损伤面积、形貌随激光能量密度和脉宽的变化。结果表明,在毫秒脉冲激光作用下,硅基QPD产生表面剥落、褶皱、裂纹、熔坑等损伤效果,且主要受入射激光功率密度影响,损伤面积随激光能量密度逐渐增加,随脉宽增加逐渐降低。通过实测分析,得出了不同激光脉宽下,硅基QPD表面形貌损伤阈值。激光脉宽为0.5 ms,能量密度为15.79 J/cm2时,硅基QPD出现熔融损伤;而脉宽为1.0、1.5、2.0、3.0 ms时,硅基QPD出现表面剥落的能量密度值为14.12、33.94、39.76、47.62 J/cm2。     

High-power lasers? their performance, limitations, and future

Their many new, imaginative applications have led to the development of lasers with power outputs exceeding the ability of the laser materials to withstand damage for more than a few shots. The apparent necessary remedial steps would be to learn how to increase damage threshold and to determine how to improve laser parameters that will not degrade life. This article discusses how high power is attained in a laser system and it reviews the data on laser performance to establish the principal causes of failure and to determine how to rectify them. An integral part of the analysis is a detailed treatment of the measurement and interpretation of luminance.     

基于小波变换的薄膜激光损伤识别

薄膜激光损伤的准确识别在测量激光损伤阈值的实验中起着至关重要的作用,ISO1125标准规定应采用显微镜观察的方法来识别薄膜损伤。为做到在线自动识别损伤,采用数字图像处理的方法,将小波变换与图像相关识别技术结合在一起,分析了如何利用小波变换来实现薄膜激光损伤识别的理论方法。结果表明,这种识别方法不仅有较高的识别精度,而且可以避免目前损伤测试工作中繁重的人工操作,对实现激光损伤阈值测试装置的自动化有着非常重要的意义。     

一种基于压缩感知的导波场重构方法

导波场分析法可有效识别和表征结构损伤,但受限于奈奎斯特采样定律,全波场信号的采集耗时严重。为提高全波场信号的获取效率,现有方法依靠压缩感知和激光多普勒测振技术,以少量空间测点信号重构出原始波场,然而该类方法依赖具有一定随机性的抖动采样策略,在商用激光多普勒测振系统上不便实现。为解决这一问题,该文提出了一种基于均匀稀疏采样策略的导波场重构方法,并搭建压电片激励/扫描式激光多普勒测振仪传感(PZT激励/SLDV传感)实验平台,对含人工损伤的铝板进行实验验证。实验结果表明,该方法可将空间测点数减少到奈奎斯特采样点数的10%以下,并在导波场重构精度及损伤成像精度方面达到与抖动采样策略的同等水平,且提高了导波场分析法的实用性和工作效率。     

几种红外光学晶体的激光损伤研究

用被动锁模的YAG:Nd激光器研究了KCl、NaCl和KBr单晶中的微微秒脉冲辐照损伤,测定了本征击穿阈值和自聚焦参数。最后分析了自聚焦、包裹物和脉宽等非本征因素对损伤测量的影响。