熔石英表面铜膜污染物诱导损伤实验研究

 在熔石英元件表面溅射一层厚度小于10 nm的金属铜膜污染物,并测试元件的透过率。测试355 nm熔石英元件的激光损伤阈值,并用光学显微镜观测损伤形态。实验结果表明：污染后的熔石英元件的损伤阈值降低20%左右,元件表面的金属污染物薄膜经强激光辐照,在熔石英表面形成很多坑状微损伤,分布不均的热应力导致表面起伏,并有明显的烧蚀现象,导致基底损伤阈值下降。建立的光吸收和热沉积传输模型初步解释污染物膜层导致熔石英元件损伤的机理。     

基于振镜扫描方式的光学元件表面损伤检测EI北大核心CSCD

振镜作为一种二维扫描器件,可以实现光学元件不同位置处表面情况在CCD相机上的成像,利用振镜扫描方式无需移动待检测光学元件和成像系统即可完成大口径光学元件表面损伤的扫描检测,提出了一种基于振镜扫描方式的大口径光学元件表面损伤检测方法。利用该方法对光学元件表面损伤点检测进行了验证实验,通过在元件表面设置基准点,利用振镜扫描步数及图像处理技术确定损伤点位置及尺寸,并与光学显微镜观察到的损伤情况进行对比,结果显示利用振镜扫描方法对元件表面损伤点位置及尺寸的检测结果与光学显微镜检测结果偏差较小。该检测系统分辨率可达到(2.08±0.015)μm/pixel,检测范围大于2.5cm,水平方向和竖直方向位置坐标检测准确度分别为3.76%和1.37%,损伤点尺寸检测准确度为6.19%,能够实现较大尺寸光学元件表面损伤点的高准确性检测。     

光学亚表面损伤的探测和后处理技术

光学元件的损伤问题已成为高功率固体激光装置研制的核心问题，而紫外的损伤尤为严重。光学元件的激光损伤与能吸收能量的多种缺陷有关，例如：表面污染、表面擦伤和材料本体的缺陷(气泡或所含杂质)等。研究工作拟从光学元件的亚表面损伤人手，探测不同的光学制造工艺造成的特征亚表面缺陷，研究这些缺陷对激光损伤研制的影响。建立亚表面缺陷化学后处理装置，减少或消除亚表面缺陷所引起激光损伤的程度，为光学元件制造工艺选型提供必要的依据。     

抛光表面的亚表层损伤检测方法研究

光学元件磨削加工引入的亚表面损伤威胁着光学元件的使用性能及寿命,成为现阶段高能激光发展的瓶颈问题,特别是抛光表面光学元件的亚表面损伤检测已成为光学元件制造行业的研究热点和难点.本文结合光学共聚焦成像、层析技术、显微光学、光学散射以及微弱信号处理等技术,给出了基于光学共焦层析显微成像的光学元件亚表面损伤检测方法.分析了不同针孔大小对测量准确度的影响,并首次给出了亚表面损伤的纵向截面分布图.与腐蚀法比较结果显示:针对自行加工的同一片K9玻璃,采用本文提出的方法测得的亚表面损伤深度45 μm左右;采用化学腐蚀处理技术,对光学元件逐层刻蚀,观察得到的亚表面损伤深度50~55 μm.两者基本一致,进一步验证了本文采用的方法可以实现对光学元件亚表面损伤的定量、非破坏检测.     

表面颗粒污染物诱导薄光学元件初始损伤的机理

基于光传输理论研究了前表面颗粒污染物诱导薄光学元件产生初始损伤的原因,提出了颗粒遮光效应和颗粒造成的光学元件局部热变形两者共同作用对光束进行扰动的损伤机理.研究结果表明:对于高功率激光光束,薄光学元件局部热变形对光束的扰动是产生较高光强调制的重要原因;随着激光脉冲发射次数的增加,局部热变形的表面形状、位相延迟幅度、热扩散长度不断变化,会在光学元件内不同厚度处和后表面xy方向上的不同位置处产生较高的光强调制,不仅容易引起后表面产生多个损伤点,也可能在光学元件内就产生损伤,并且在厚度方向上的损伤点是分散的.     

退火参数对熔石英透射波前和损伤阈值的影响

 采用高温退火技术去除熔石英元件表面由于CO2激光修复带来的残余应力,研究了退火环境对元件的表面污染,分析了不同退火温度（600～900 ℃）和保温时间（3～10 h）对于元件残余应力、透射波前、表面粗糙度和激光损伤阈值的影响。结果表明:在800 ℃以下,高温退火10 h可有效去除CO₂激光修复带来的残余应力,对元件的透射波前和表面粗糙度无明显影响;石英保护盒能有效减少退火环境对元件表面产生的污染,但仍有X射线光电子能谱检测不到的表面污染物存在;在退火后采用质量分数为1%的HF刻蚀15 min,激光损伤阈值可恢复,同时元件透射波前和表面粗糙度并无明显的增加。     

光学亚表面损伤的探测和后处理技术

光学元件被污染和亚表面存在的缺陷将使它的性质受损。即使是微小尺寸的缺陷（小于φ1μm）也会引起激光损伤。国外研究表明，光学元件在其制造过程中形成的亚表面缺陷是导致紫外损伤的主要根源之一。光学元件的损伤问题已成为高功率固体激光装置研制的核心问题，而紫外的损伤尤为严重。     

光学元件表面微结构的局域场分布特性研究

在强激光系统中光学元件表面的微结构会引起局域场强增强,进而会影响元件抗激光损伤能力。采用时域有限差分方法对波长量级的表面微结构进行了电磁场分布的数值模拟,一方面为损伤模型的建立奠定了基础,另一方面也为光学元件的设计制作提供了理论指导。     

熔石英光学元件的损伤前驱及其抑制技术北大核心CSCD

基于抛光所引起的熔石英元件表面、亚表面所存在的损伤前驱体分布,研究了不同种类的损伤前驱体所引起的损伤形貌。然后根据不同种类的损伤前驱体分别采用表面活性剂、强氧化性酸、氢氟酸的水溶液对不同的损伤前驱体进行处理。研究结果显示:经过前期预先清洗以后,吸收性杂质所导致的雾状损伤得以消除,亚表面分布的裂纹得以很好地平滑钝化,极大地提升了熔石英光学元件的抗损伤性能,损伤阈值从4.8J/cm2提高到11.0J/cm2,最大提升幅度达到原来的2.3倍。     

熔石英元件抛光表面的亚表面损伤研究

通过结合HF酸洗和微分干涉差显微成像对两组抛光元件的亚表面损伤进行直接观测和分析。结果显示微分干涉差显微成像相比于传统的明场成像具有更好的分辨率,可以更有效检测HF酸洗后暴露的各种浅塑性亚表面损伤。对两组抛光元件的亚表面损伤的对比分析发现熔石英元件在抛光中会产生大量的亚表面损伤,这些亚表面损伤绝大多数是浅塑性的划痕和坑,仅有少量的脆性断裂损伤,较大的抛光颗粒会产生更多更严重的亚表面损伤,并且这些亚表面损伤被表面沉积层所掩盖,表面粗糙度不能反映亚表面损伤的严重程度。     

355 nm纳秒紫外激光辐照下熔石英前后表面损伤的对比研究

为了理解前后表面损伤不对称性的物理内涵, 利用阴影成像技术研究了纳秒紫外激光诱使熔石英光学元件表面损伤的时间分辨动力学过程.研究表明,纳秒紫外激光与熔石英作用过程中前后表面损伤的物理机理是完全不同的.前表面处空气中等离子体和冲击波较强, 等离子体的屏蔽作用抑制了余脉冲能量的沉积, 降低了元件损伤程度.而后表面处等离子体吸收激光能量膨胀, 对后表面冲击作用更为严重, 形成的等离子体电子密度可达到10²³cm^-3以上, 反射部分激光能量与入射的激光余脉冲干涉, 使得 关键词： 熔石英 激光诱使损伤 阴影成像技术 光学元件表面     

高功率半导体激光对光学元件损伤特性

 为研究880 nm高功率半导体连续激光器对光学元件的损伤特性,选择了K9玻璃、ZnSe晶体和无氧铜进行镀膜加工,形成高反射率和高透过率的光学元件。通过调节到达光学元件表面的平均功率和改变光斑大小来改变光学元件表面的功率密度,并连续照射30 s,最终通过显微镜来观察元件的激光损伤形貌。研究结果表明：镀高反膜的K9玻璃在功率密度达到600 W/cm²时,膜系表面出现烧熔现象,当达到1 000 W/cm²时出现炸裂现象,而无氧铜基底镀金反射镜在上述功率密度下未发现损伤;而镀增透膜的ZnSe晶体在激光功率密度高达1 000 W/cm²时,通过显微镜观察没有发现明显的损伤,热像仪显示基底温升为5 ℃。     

短脉冲激光辐照下金属镜面波纹损伤机理研究

用脉冲Nd：YAG激光(波长1．06μm、半高宽10ns)辐照了多种金属膜层镜面，用光学与原子力显微镜观察到某些样品损伤区或周围有规律的波纹图案，波纹周期从几微米到几十微米。通过分析实验结果，这里提出了波纹产生的光学模型，认为光路系统中某些元件的衍射或者强光与元件表面相互作用过程中产生的干涉可能会导致元件表面波纹状损伤图案。通过理论计算，初步解释了实验中波纹的周期和其他现象。     

纳秒激光诱导光学元件后表面损伤过程中的爆炸流场及喷溅行为

紫外光学元件损伤动力学的研究是关联物质微观结构演化与光学元件宏观性质变化的重要纽带。在光学元件后表面损伤坑形成的过程中,激光能量沉积导致材料爆炸形成高温高压物质突破表面,并伴随形成爆炸流场和喷溅射流。爆炸流场与初始起爆强度具有强关联性,对爆炸流场及喷溅行为进行研究,可以帮助分析损伤初期的材料状态变化和响应机制,是损伤动力学研究的必需环节。基于多种时间分辨成像技术,捕获了损伤发展前期的材料电离和气化响应演化行为,分析了材料损伤起爆后气化电离等过程的弛豫时间,并确定各个行为转化的关键时间节点,描述了损伤区域能量快速释放的物理过程。     

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。     

光学元件的表面划痕及其对入射激光的调制作用

 对光学元件表面划痕进行了细致的观察，并将它们分为单划痕、双划痕和多划痕三类，采用时域有限差分方法，以加工过程中常见的直径为二分之一波长的半圆形划痕为基本研究对象，数值模拟了位于光学元件前后表面的多条划痕附近的空间光强分布，总结了在不同划痕条数下光强最大值随着划痕间距变化的曲线图。结果表明：位于光学元件后表面的划痕比位于前表面时更加容易引起光学损伤；在多条划痕情况下，空间光强最大值随着划痕间距的增大呈周期性变化，并随着划痕间距的不断增大而趋于一稳定数值。     

高功率激光装置光传输管道污染规律及对光学表面损伤性能的影响

研究高功率激光装置光传输管道内部洁净度变化规律,分析其对内部重要光学元件光学性能的影响规律,提出污染控制措施。对光传输管道内部的气溶胶进行采样,并利用空气品质分析仪及扫描电镜对其进行分析,得到光传输管道内部洁净度变化规律和污染源;采用内部放置透射膜元件的方法,研究洁净度等级水平对透射膜的微观结构和透射率的影响,并利用"1-on-1"的测试方式进行透射膜元件的损伤阈值测试。研究结果表明:光传输管道内部的洁净度在激光辐照后迅速上升至万级水平,透射膜元件在此环境下其透过率严重下降,下降幅度为2.5%,且表面微观形貌发生变化。光学透射薄膜表面损伤阈值随表面污染水平呈现线性下降规律,最大下降幅度约为10%。污染监测和成分分析结果表明管道内部灰尘及杂散光或者鬼光束辐照金属产生的等离子体是管道内污染的主要源头,在此基础上提出了正压密封保持的技术手段确保内部光学表面洁净度水平,延长使用寿命。     

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。     

磨削加工光学元件亚表面损伤探究

对磨削加工的K9材料试件进行亚表面损伤探究,分析磨削加工产生亚表面损伤的原因。分别用亚表面损伤深度预测法、分阶刻蚀法预测和检测元件亚表面损伤深度,并分析切深、工作台进给速度、砂轮转速等参数对亚表面损伤深度的影响。研究表明,分阶刻蚀法直观有效,与亚表面损伤深度预测法的结果一致性较好。在本文实验条件下,自行加工K9试件的亚表面损伤深度随切深增大而加深,随工作台进给速度增大而有所增加,砂轮转速对亚表面损伤深度影响并不明显。     

聚焦光在亚表面损伤介质中的散射特性

针对光学元件的亚表面缺陷,结合基于激光共焦层析的亚表层检测方法,建立聚焦光束在亚表面损伤介质中的传输模型,并采用有限元分析方法,仿真研究K9玻璃光学元件亚表层缺陷对聚焦光束的散射调制特性,特别对颗粒状和微裂纹两类特殊缺陷的光学调制特性进行研究和分析,探索了波长、缺陷大小、缺陷折射率及缺陷方向对聚焦光束散射特性的影响规律,通过分析包含亚表面损伤缺陷信息的光场分布图和强度变化曲线,获得了亚表面损伤缺陷的信息,并对其进行评价。