表面Al膜污染物诱导熔石英表面损伤特性

在熔石英表面人工溅射一层Al膜污染物,分别测试污染前后熔石英基片在355 nm波长激光辐照下的损伤阈值,并采用透射式光热透镜技术、椭偏仪和光学显微镜研究了污染物Al膜的热吸收、厚度以及激光辐照前后熔石英的损伤形貌。用355 nm波长的脉冲激光分别辐照位于污染的熔石英和洁净的熔石英前后表面的损伤点,并用显微镜在线采集损伤增长图样,测试损伤点面积。实验表明:熔石英前表面的金属Al膜污染物导致基片损伤阈值的下降约30%,后表面的污染物导致基片下降约15%,位于熔石英样片后表面损伤点面积随激光辐照次数呈指数增长,而位于前表面的损伤点面积与激光脉冲辐照次数呈线性增长关系;带有污染的熔石英样片的增长因子比洁净的熔石英样片的增长因子高30%。     

铜膜和铁膜污染物诱导熔石英表面损伤行为的对比研究

采用人工溅射的方式分别在熔石英基片上镀制了光学厚度相近的铜膜和铁膜污染物。研究了熔石英基底在355nm波长的激光损伤阈值。分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、膜层厚度、表面微观形貌以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：熔石英表面的金属膜状污染物均导致基片损伤阈值下降,位于前表面的污染物引起的损伤阈值下降更为严重,约为23％。两种污染物薄膜引起基底的损伤形貌、基底损伤阈值的下降幅度与薄膜的热吸收系数与微观结构有关。从热力学响应角度,结合损伤形貌对污染物诱导熔石英表面形貌的损伤机理进行了讨论。     

355 nm皮秒激光辐照下熔石英的损伤特性

利用光学元件激光损伤测试平台,测试了355 nm皮秒激光辐照下熔石英光学元件的初始损伤及损伤增长情况,并通过荧光检测分析了损伤区缺陷。研究结果表明:皮秒激光较高的峰值功率导致熔石英损伤阈值较低,前表面损伤阈值为3.98 J/cm2,后表面损伤阈值为2.91 J/cm2;前后表面损伤形貌存在较大差异,后表面比前表面损伤程度轻且伴随体内丝状损伤;随脉冲数的增加后表面损伤直径增长缓慢,损伤深度呈线性增长;皮秒激光的动态自聚焦和自散焦导致熔石英体内损伤存在细丝和炸裂点重复的现象;与纳秒激光损伤相比,损伤区缺陷发生明显改变。     

熔石英表面铜颗粒污染激光诱导损伤

利用SAGA-S激光器输出的355 nm波长激光,研究了熔石英表面铜颗粒污染的激光损伤规律。采用磁控溅射的方式在洁净熔石英表面制备不同尺寸的颗粒状污染物,用1-on-1,10-on-1,20-on-1的方式测试经污染后的熔石英基底的损伤阈值,并采用光学显微镜观察损伤形貌、CCD在线测量损伤斑尺寸。结果表明:污染后的熔石英基底的损伤主要发生在后表面,而且以热烧蚀和热应力为主,基底的损伤阈值与熔石英前表面污染颗粒尺寸呈负指数关系,随后表面污染物颗粒尺寸的增大呈略微下降。前表面颗粒污染物诱导损伤斑尺寸为颗粒污染物尺寸的4倍,后表面颗粒污染物引起的损伤斑尺寸约为颗粒污染物尺寸的2倍。并绘出损伤斑尺寸与颗粒尺寸、辐照方式之间的关系。     

光学玻璃基底原子层同质材料沉积薄膜光谱及激光诱导损伤特性研究

通过原子层沉积技术在熔石英玻璃表面制备了同质材料的单层SiO₂薄膜,对光学薄膜的物理化学性质和强激光辐照下的激光诱导损伤性能进行了深入研究。实验中采用双叔丁基氨基硅烷（BTBAS）和臭氧（O₃）作为反应前驱体,在熔石英光学元件表面进行了SiO₂薄膜的原子层沉积工艺研究,以不同沉积温度条件制备了一系列膜样品。首先对原子层沉积特性和薄膜均匀性展开了研究,发现薄膜生长厚度与沉积循环次数之间符合线性生长规律,验证了制备薄膜的原子级逐层生长特性,并且表面沉积膜层的均匀性很好,其测得膜厚波动不超过2%。然后针对不同温度条件下沉积的SiO₂薄膜,对其粗糙度及各类光谱特性展开了研究,对比结果表明：样品的表面粗糙度在镀膜后有轻微的降低;薄膜样品在200～1 000 nm范围内具有出色的透过率,均超过90%并逐渐趋近于93.3%,且其透射光谱与在裸露熔石英衬底上测得的光谱没有明显差异;镀膜前后荧光光谱和傅里叶变换红外光谱的差异证实了原子层沉积SiO₂膜中点缺陷（非桥键氧、氧空位、羟基等）的存在,这将会影响薄膜耐损伤性能。最后对衬底和膜样品进行了紫外激光诱导损伤测试,损伤阈值的变化表明熔石英元件表面沉积薄膜后的激光损伤性能有所降低,其零概率损伤阈值从31.8 J·cm-2减小到20 J·cm-2左右,与光谱缺陷情况表征相符合。薄膜中点缺陷部位会吸收紫外激光能量,导致局域温度升高,进而出现激光诱导损伤现象并降低抗激光损伤阈值。在选定的沉积温度范围内,较高温度条件下沉积的SiO₂薄膜其激光诱导损伤性能更好,可以控制沉积温度条件使得元件的抗损伤性能更为接近衬底本身,后续有望通过其他反应参数的优化来获得薄膜抗损伤性能的进一步提升。     

高功率脉冲电子束辐照SiO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;的光学和激光损伤性能

研究了不同剂量的60 kW高功率脉冲电子束辐照对高纯熔石英玻璃的微观结构、光学性能和激光损伤特性的影响规律. 光学显微图像表明, 辐照后熔石英样品由于热效应导致表面破裂, 裂纹密度和尺寸随辐照剂量增加而增大, 采用原子力显微镜分析表面裂纹的微观形貌, 裂纹宽度约1 um, 同时样品表面分布着大量尺寸约0.1–1μm的碎片颗粒. 吸收光谱测试表明, 所有样品均在394 nm处出现微弱的吸收峰, 吸收强度随着电子束辐照剂量增大呈现先增加后减小的趋势. 荧光光谱测试发现辐照前后样品均有3个荧光带, 分别位于460, 494和520 nm, 荧光强度随辐照剂量的变化趋势与吸收光谱一致. 利用355 nm激光研究了不同剂量电子束辐照对熔石英激光损伤阈值的影响, 结果表明熔石英的损伤阈值随着辐照剂量的增加而降低. 在剂量较低时, 导致熔石英激光损伤阈值下降的原因主要是色心缺陷; 剂量较高时, 导致损伤阈值降低的原因主要是样品表面产生的大量微裂纹和碎片颗粒对激光的调制和吸收. 关键词： 熔石英 电子束辐照 色心 激光损伤阈值     

酸蚀与紫外激光预处理结合提高熔石英损伤阈值

采用HF酸刻蚀和紫外激光预处理相结合的方式提升熔石英元件的负载能力,用质量分数为1%的HF缓冲溶液对熔石英刻蚀1~100 min,综合透过率、粗糙度和损伤阈值测试结果,发现刻蚀时间为10min的熔石英抗损伤能力最佳。采用355 nm紫外激光对HF酸刻蚀10 min的熔石英进行预处理,结果表明:紫外预处理能量密度在熔石英零损伤阈值的60%以下时,激光损伤阈值单调递增;能量到达80%时,阈值反而低于原始样片的损伤阈值。适当地控制酸蚀时间和紫外激光预处理参数能有效提高熔石英的抗损伤能力。     

高功率脉冲电子束辐照SiO_2的光学和激光损伤性能

研究了不同剂量的60 kW高功率脉冲电子束辐照对高纯熔石英玻璃的微观结构、光学性能和激光损伤特性的影响规律.光学显微图像表明,辐照后熔石英样品由于热效应导致表面破裂,裂纹密度和尺寸随辐照剂量增加而增大,采用原子力显微镜分析表面裂纹的微观形貌,裂纹宽度约1μm,同时样品表面分布着大量尺寸约0.1—1μm的碎片颗粒.吸收光谱测试表明,所有样品均在394 nm处出现微弱的吸收峰,吸收强度随着电子束辐照剂量增大呈现先增加后减小的趋势.荧光光谱测试发现辐照前后样品均有3个荧光带,分别位于460,494和520 nm,荧光强度随辐照剂量的变化趋势与吸收光谱一致.利用355 nm激光研究了不同剂量电子束辐照对熔石英激光损伤阈值的影响,结果表明熔石英的损伤阈值随着辐照剂量的增加而降低.在剂量较低时,导致熔石英激光损伤阈值下降的原因主要是色心缺陷;剂量较高时,导致损伤阈值降低的原因主要是样品表面产生的大量微裂纹和碎片颗粒对激光的调制和吸收.     

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.     

酸蚀深度对熔石英三倍频激光损伤阈值的影响

 采用干涉仪和台阶仪测试蚀刻深度随时间的变化,结合材料去除速率测量,研究了HF酸蚀液对熔石英表面蚀刻的影响。测试了蚀刻后损伤阈值和表面粗糙度的变化。研究表明,熔石英表面重沉积层厚度约16 nm,亚表面缺陷层大于106 nm;重沉积层去除后损伤阈值增大,随亚表面缺陷层暴露其阈值先降低后又增加,最后趋于稳定;然而,随蚀刻时间的增加,其表面粗糙度增大。分析表明,蚀刻到200 nm能有效地提高熔石英的低损伤阈值,有利于降低初始损伤点数量和提高熔石英表面的机械强度。     

Surface defects,stress evolution,and laser damage enhancement mechanism of fused silica under oxygen-enriched condition

Oxygen ions (O⁺) were implanted into fused silica at a fixed fluence of 1×10¹⁷ ions/cm² with different ion energies ranging from 10 keV to 60 keV. The surface roughness, optical properties, mechanical properties and laser damage performance of fused silica were investigated to understand the effect of oxygen ion implantation on laser damage resistance of fused silica. The ion implantation accompanied with sputtering effect can passivate the sub-/surface defects to reduce the surface roughness and improve the surface quality slightly. The implanted oxygen ions can combine with the structural defects (ODCs and E' centers) to reduce the defect densities and compensate the loss of oxygen in fused silica surface under laser irradiation. Furthermore, oxygen ion implantation can reduce the Si-O-Si bond angle and densify the surface structure, thus introducing compressive stress in the surface to strengthen the surface of fused silica. Therefore, the laser induced damage threshold of fused silica increases and the damage growth coefficient decreases when ion energy up to 30 keV. However, at higher ion energy, the sputtering effect is weakened and implantation becomes dominant, which leads to the surface roughness increase slightly. In addition, excessive energy aggravates the breaking of Si-O bonds. At the same time, the density of structural defects increases and the compressive stress decreases. These will degrade the laser laser-damage resistance of fused silica. The results indicate that oxygen ion implantation with appropriate ion energy is helpful to improve the damage resistance capability of fused silica components.     

基频和三倍频Nd:YAG激光诱导熔石英损伤特性

 采用光电探测器和数字示波器检测散射光脉冲信号,研究了基频和三倍频Nd:YAG激光诱导熔石英损伤过程,给出了泵浦光和探针光的散射光光电信号;比较了基频和三倍频激光作用下熔石英烧蚀斑显微照片,并分析了其损伤机理。结果显示:在ns脉冲激光作用下,熔石英损伤均发生在泵浦激光脉冲峰值附近,且基频光作用下损伤开始时间点比三倍频作用下早;在多脉冲或高能量激光辐照下,检测到了等离子体闪光信号,等离子体闪光发生在时间延迟21 ns附近。基于Keldysh理论计算了基频光和三倍频光作用下,熔石英光致电离速率同激光强度的关系。     

1064 nm和532 nm纳秒激光同时辐照熔石英损伤规律的研究

利用Nd: YAG激光器研究基频(1064 nm)与倍频(532 nm)单独辐照和同时辐照下熔石英的损伤规律,对损伤几率进行了测试,获得损伤几率曲线与典型损伤形貌。研究结果表明:双波长同时辐照下的初始损伤阈值总是小于单波长辐照下的初始损伤阈值;基频光中加入定量倍频光后,熔石英对基频光的吸收效率提高;并且双波长同时辐照下,熔石英损伤密度增大;原因主要是熔石英表面缺陷对不同波长吸收机制的差异。     

基于激光近场和图像分割技术的复合波长诱导熔石英损伤实验研究

在复合波长(波长分别为1053、527、351nm)情况下,利用激光近场对熔石英样品进行损伤实验。设计了一种基于激光近场辐照的损伤阈值定义方法,并利用带有灰度抑制的分水岭标记算法对损伤图像进行损伤区域提取,通过对比损伤图像与相应光束近场能量分布,计算出损伤区域与非损伤区域临界处的光能量密度,即为熔石英样品的损伤阈值。实验结果表明,复合波长激光诱导熔石英损伤是3种波长激光共同作用的结果,但351nm激光对损伤起主要作用,初始损伤阈值为8.22J/cm2;在复合波长激光多次辐照样品的情况下,熔石英样品后表面的损伤成指数形式增长,损伤增长系数为0.59。     

Subsurface defect characterization and laser-induced damage performance of fused silica optics polished with colloidal silica and ceria

This paper mainly focuses on the influence of colloidal silica polishing on the damage performance of fused silica optics. In this paper, nanometer sized colloidal silica and micron sized ceria are used to polish fused silica optics. The colloidal silica polished samples and ceria polished samples exhibit that the root-mean-squared(RMS) average surface roughness values are 0.7 nm and 1.0 nm, respectively. The subsurface defects and damage performance of the polished optics are analyzed and discussed. It is revealed that colloidal silica polishing will introduce much fewer absorptive contaminant elements and subsurface damages especially no trailing indentation fracture. The 355-nm laser damage test reveals that each of the fused silica samples polished with colloidal silica has a much higher damage threshold and lower damage density than ceria polished samples. Colloidal silica polishing is potential in manufacturing high power laser optics.     

超声波辅助酸蚀提高熔石英损伤阈值

为了提高熔石英元件表面抗激光损伤阈值,利用超声波辅助HF酸研究平滑光学元件表面缺陷形貌和去除刻蚀后残留物效果,通过扫描电子显微镜电镜和原子力显微镜记录表面形貌结构,以及单脉冲激光辐照测试抗损伤阈值确定实验参数。研究表明,超声波场的引入能催化HF酸的刻蚀速率、提高钝化效果并且更易剥离嵌入的亚μm级杂质粒子。经过实验测试,获得了熔石英类元件相匹配的超声辅助HF酸刻蚀实验参数,研究结果对应用超声波辅助HF酸研究熔石英表面抗激光损伤有重要意义。     

熔石英紫外激光初始损伤形态分析

 采取355 nm激光脉冲辐照熔石英样品,利用Nomarski微分干涉差显微镜、原子力显微镜和扫描电子显微镜观测手段对前后表面产生的损伤点进行了观察分析。对前后表面损伤形态做出详细的描述和分类,从理论上对每种损伤类型产生的条件与机理做出推测。实验结果表明：熔石英前表面存在小麻点群损伤和星状裂纹损伤两种损伤形态,横向尺寸分别为0.8～2.5和1.0～5.5 μm;后表面存在小麻点群损伤、壳状剥离损伤和火山口3种损伤形态,损伤横向尺寸分别为0.48～1.33,4～20和12～30 μm。实验证明了1 μm尺度损伤点的产生与再沉积层密切相关。