光学元件激光预处理技术研究进展及其应用

光学元件中的杂质和缺陷会引起其激光损伤阈值的大幅降低,现阶段这一问题已成为激光装置向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”,亟待解决。在对光学元件激光损伤的研究中发现,用低于光学元件损伤阈值的激光对元件表面进行预处理,可以有效提高光学元件的抗激光损伤能力。对激光预处理技术的提出背景、定性作用机理、定量理论模型及国内外技术应用现状进行了概述。并且介绍了一种可在薄膜制备过程中进行原位实时激光预处理的新型薄膜制备技术。最后指出,激光预处理技术作为一种无污染,可有效改善光学薄膜、光学玻璃、光学晶体元件损伤阈值的最有效方法之一,其作用机理、实用化、仪器化还有待进一步发展。     

光学膜层激光预处理过程研究

 光学元件经过激光预处理后，其抗激光破坏能力最大提高2倍以上，系统研究激光预处理机理和工艺，能安全可靠地提高光学元件损伤阈值，提升高功率激光系统的能量密度。研究了几种sol gel膜、PVD膜在预处理前后膜层表面的变化（损伤形貌）以及损伤阈值的增幅，发现预处理过程膜层仍然发生了一定程度的轻微损伤，这种损伤和膜层本身缺陷、激光参数密切相关，预处理过程可逐步消除膜层缺陷。     

激光预处理对光学元件膜层性能的影响

 激光预处理是使膜层提高损伤阈值的一种有效手段，现在流行的激光预处理机理模型之一是缺陷消除模型。实验从对元件膜层激光预处理前后各项参数的对比出发，分析了激光预处理对膜层的影响，说明了光学元件膜层激光预处理的过程，是对膜层去除缺陷、固化、洁净的过程。     

不同工艺制备的高反射薄膜在真空与大气环境下的激光损伤特性

 建立了光学元件在真空环境下的激光损伤测量系统,采用电子束蒸发和离子辅助技术制备了Hf­₂/SiO₂高反射薄膜。对不同工艺制备的薄膜在真空与大气环境下的1 064 nm波长的激光损伤阈值进行了测量,对薄膜的损伤形貌进行了观测。对薄膜的损伤特性研究分析结果表明：薄膜在真空环境中的损伤阈值相对大气环境中有明显下降,其1∶1测试和R1测试损伤阈值下降约30%;两种环境中的薄膜损伤特性也不同,真空环境中损伤阈值的下降可能与热传导的不同有关。     

利用1064nm激光预处理提高pickoff镜损伤阈值

激光预处理是提高光学元件损伤阈值的有效方法之一。利用输出1064 nm基频激光的SAGA激光器,采用光栅刻线式扫描的方式对镀多层高反物理膜的pickoff镜进行了能量周期递增的预处理,验证激光预处理对其损伤阈值的提高效果。结果表明:零几率损伤阈值平均提高38.8%,而50%几率损伤阈值提高了7.6%,经过激光预处理后pickoff镜抗损伤能力较处理前有了一定提高。     

中等口径光斑激光预处理

介绍了一种基于中等口径光斑的新型激光预处理技术。采用基频最大输出10 J的Nd:YAG调Q激光器,获得了直径5 mm、能量密度满足预处理需求的中等口径光斑。较之于小光斑处理方案,采用中等光斑进行扫描,可以显著压缩大口径光学元件的预处理总耗时。为了验证效果,搭建了实验平台,在陪镀片上开展了光斑扫描与损伤阈值测量实验,设计了合理的中等光斑预处理流程,并对阈值提升效果进行了验证。在此基础上,开展了正式元件的预处理实验,采用大行程二维电动位移台,对430 mm430 mm口径的金属铪蒸发工艺高反膜元件进行了夹持和扫描。实验结果表明,经处理后的高反薄膜元件初步达到了27 J/cm2的阈值水平,证明了该技术对薄膜抗损伤能力的提升效果。     

利用1 064 nm激光预处理提高pickoff镜损伤阈值

 激光预处理是提高光学元件损伤阈值的有效方法之一。利用输出1 064 nm基频激光的SAGA激光器，采用光栅刻线式扫描的方式对镀多层高反物理膜的pickoff镜进行了能量周期递增的预处理，验证激光预处理对其损伤阈值的提高效果。结果表明：零几率损伤阈值平均提高38.8%，而50%几率损伤阈值提高了7.6%，经过激光预处理后pickoff镜抗损伤能力较处理前有了一定提高。     

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。     

熔石英表面热致应力对激光损伤行为影响的研究

为了研究热致应力对光学元件损伤特性的影响,通过实验测试退火处理消除热应力和未消热应力石英基片的激光损伤特性,研究了热致应力对石英元件初始损伤阈值、损伤增长阈值以及损伤增长规律的影响.结果表明,热致应力对熔石英光学元件的初始损伤阈值有影响,初始损伤阈值随着热致应力增大而降低;热致应力会加剧激光引发的损伤增长,相同的激光通量下,表面应力越大的区域拥有越高的损伤增长因子,但损伤增长仍遵从指数增长规律.热致应力对损伤增长阈值没有明显的影响.本文的研究将为CO2激光预处理工艺能否被应用于大口径光学元件提供一个必要的技术参考.     

HfO2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.     

多重分形谱研究溶胶-凝胶SiO2疏水减反膜的激光预处理作用

采用溶胶-凝胶提拉技术制备了SiO2疏水减反膜.使用Nd:YAG激光(波长为1064 nm,脉宽为7.5ns)采用"R on 1"方式对所得膜层进行了激光预处理.在预处理前后采用"1 on 1"方式考察了薄膜的激光损伤阈值的变化,使用原子力显微镜(AFM)观察了薄膜的表面形貌的变化,并使用多重分形谱(MFS)方法分析了薄膜分形结构的变化.结果 表明经过激光预处理后薄膜的抗激光损伤阈值有了明显提高,均方根表面粗糙度(Rq)稍有减小,膜面变平整,多重分形谱宽度收缩,分形区间的分布均匀性改善.这说明经过激光预处理后薄膜表面微结构趋向规整,使之能够承受更强的激光的辐照.同时也说明借助多重分形谱可以获得更多薄膜表面结构变化的信息,多重分形谱是探索强激光对光学薄膜辐照作用机理的一个十分有用的方法.     

离子束技术对氧化铪薄膜性能的影响

 在基底清洗、薄膜沉积和薄膜后处理三个阶段均采用离子束技术,制备了氧化铪薄膜,并对薄膜的光学性能、表面特性和激光损伤阈值特性进行测试和研究。结果表明,利用离子束技术清洗基底可以增强表面吸附;离子束辅助沉积在合适离子束能量下可以得到高堆积密度、高损伤阈值的薄膜;离子束后处理氧化铪薄膜可以降低表面粗糙度,改善抗激光损伤阈值。说明在三个薄膜制备阶段同时采用合适的离子束参数可以制备出结构致密、阈值高、表面粗糙度好的氧化铪薄膜。     

532nm HfO_2/SiO_2高反膜的激光预处理效应

采用单台阶能量光栅扫描以及R-on-1测试两种不同预处理方式研究了激光预处理技术对532nm HfO2/SiO2高反膜的阈值提升效果。用Nd:YAG二倍频激光对电子束蒸发制备的532nm HfO2/SiO2高反膜进行1-on-1损伤阈值测试,然后分别进行单台阶能量光栅扫描以及R-on-1测试。通过对损伤概率以及损伤形貌的分析,发现激光预处理能够去除薄膜内低阈值缺陷,达到提高损伤阈值的目的,损伤阈值分别提高38%和30%。     

激光预处理中缺陷上的激光能量覆盖

分析了不同预处理方式下缺陷上的激光能量的覆盖特点。理论分析表明,相同预处理效率下,单步预处理缺陷上激光能量覆盖率优于多步预处理。实验研究了电子束蒸发制备的HfO2/SiO2多层高反膜的激光预处理,结果发现单步预处理后薄膜的单脉冲激光损伤阈值比相同效率的4步预处理后薄膜的单脉冲激光损伤阈值要好。采用最高能量密度为112%激光损伤阈值的5步预处理后,光学薄膜的激光损伤阈值提高了83.5%。     

多重分形谱研究溶胶-凝胶SiO2疏水减反膜的激光预处理作用

采用溶胶-凝胶提拉技术制备了SiO₂疏水减反膜.使用Nd：YAG激光（波长为1064nm,脉宽为7.5ns）采用“R on 1”方式对所得膜层进行了激光预处理.在预处理前后采用“1 on 1”方式考察了薄膜的激光损伤阈值的变化,使用原子力显微镜（AFM）观察了薄膜的表面形貌的变化,并使用多重分形谱（MFS）方法分析了薄膜分形结构的变化.结果表明经过激光预处理后薄膜的抗激光损伤阈值有了明显提高,均方根表面粗糙度（R_q）稍有减小,膜面变平整,多重分形谱宽度收缩,分形区间的分布均匀性改善.这说明经过激光预处理后薄膜表面微结构趋向规整,使之能够承受更强的激光的辐照.同时也说明借助多重分形谱可以获得更多薄膜表面结构变化的信息,多重分形谱是探索强激光对光学薄膜辐照作用机理的一个十分有用的方法. 关键词： 2疏水减反膜')" href="#">SiO₂疏水减反膜 激光预处理 多重分形谱 激光损伤阈值     

化学刻蚀过程中熔石英表面沉积物的形成及其对激光损伤的影响

化学刻蚀是提升熔石英光学元件抗激光损伤性能的重要后处理技术之一,但刻蚀后熔石英表面附着的沉积物对其表面质量、透射性能和抗激光损伤性能有很大影响。使用光学显微镜和原子力显微镜表征了化学刻蚀后附着于熔石英表面的沉积物的微观形貌,并分析了其形成机理;X射线能谱分析表明化学刻蚀后熔石英表面沉积物主要由Fe,Ni,Al等元素的金属盐组成。损伤阈值测试结果表明熔石英表面高密度沉积物区域的损伤阈值明显低于非沉积物区域,沉积物对熔石英光学元件的抗激光损伤性能产生严重影响,它们是诱导熔石英激光损伤的前驱体。     

等离子体冲击波特征与薄膜损伤阈值关系研究

激光损伤阈值是衡量光学元件性能的重要参数,而判别薄膜是否发生了损伤是准确测量薄膜激光损伤阈值的关键,因此研究薄膜损伤的判别方法具有重要意义。传统方法准确度低、操作复杂、人为因素影响大,提出了以等离子体冲击波压强特征为标准的判定薄膜损伤的新思路。以多种单层薄膜为例,搭建测试平台,利用传声器采集激光辐照薄膜产生的等离子体冲击波,将该数据与国标法测得的激光薄膜损伤阈值相对照,找到对应的等离子体冲击波压强阈值。实验表明,该方法判别速度快,操作简单,测试设备搭建方便,并可以实时监测,能够大大提高检测效率。     

高反射光学薄膜激光损伤研究进展

激光诱导损伤阈值是大功率光学系统中重要参数,其数值大小对激光系统的输出功率与稳定性具有重要影响。为了突破损伤阈值对激光光学系统输出功率的限制,科研人员主要从制备薄膜工艺、激光特性、薄膜特性以及薄膜后工艺等方面开展研究。本文介绍了高反膜理论、制备工艺;综述了近十年来国内外对高反膜损伤研究的成果;阐述了激光特性、薄膜特性以及薄膜后工艺对薄膜损伤阈值的影响。在此基础上,对提高高反膜损伤阈值的研究和发展趋势进行了分析与展望。     

HfO_2/SiO_2薄膜的激光预处理作用研究北大核心CSCD

激光预处理是提高激光薄膜抗激光损伤阈值的重要手段。对电子束蒸发方式镀制的HfO2/SiO2反射膜采用大口径激光进行了辐照,并采用激光量热计测量了激光辐射前后的弱吸收值。采用聚焦离子束(FIB)技术分析了激光辐照后薄膜的损伤形态并探究了损伤原因,首次采用扫描电镜拍摄到了节瘤部分喷发时的形貌图,并对其进行了FIB分析,为进一步了解节瘤的损伤过程提供了依据。实验发现,激光辐照过后的激光薄膜弱吸收明显降低,激光预处理有效减少了引起薄膜吸收的缺陷,存在明显的清洗效应;在本实验采用的HfO2/SiO2反射膜中,激光预处理技术对于祛除位于基底上种子形成的节瘤是有效的,原因是激光辐射过后该节瘤进行了预喷发并不会对后续激光产生影响;而激光预处理技术对位于膜层中间的可能是镀膜过程中材料飞溅引起的缺陷是无效的,需要通过其他手段对该类节瘤进行祛除。     

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。