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CN113866166B - 一种提升光学元件激光损伤阈值的时间整形脉冲及其选择方法 - Google Patents

一种提升光学元件激光损伤阈值的时间整形脉冲及其选择方法 Download PDF

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CN113866166B CN202111004121.XA CN202111004121A CN113866166B CN 113866166 B CN113866166 B CN 113866166B CN 202111004121 A CN202111004121 A CN 202111004121A CN 113866166 B CN113866166 B CN 113866166B
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Abstract

本发明提供了一种提升光学元件激光损伤阈值的时间整形脉冲及其选择方法，用于进一步优化激光预处理效果、以获得最大的激光损伤阈值提升。该时间整形脉冲在时域上为慢升快降的非对称脉冲。与现有高斯脉冲激光预处理相比，本发明能够进一步提升目标光学元件的抗激光损伤性能。

Description

一种提升光学元件激光损伤阈值的时间整形脉冲及其选择 方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种提升光学元件激光损伤阈值的时间整形脉冲及其选择方法。
背景技术
几十年间，尽管光学材料的抗激光损伤性能已取得了长足进步，但人们仍不断地对激光驱动系统的输出通量提出更高要求。因此，光学元件的激光诱导损伤问题依旧是制约高功率激光装置稳定运行及持续发展的一大瓶颈。
激光预处理作为一种提高光学元件抗激光损伤性能的后处理技术，已经得到了广泛的应用。在光学元件投入使用之前，该技术采用低于材料损伤阈值的激光通量对光学元件进行辐照，从而使光学元件的损伤阈值得到提高。从实现方式上，激光预处理技术可分为在线预处理和离线预处理，前者是利用大型高功率激光装置自身的大口径激光光束对光学元件进行能量逐步递增的辐照，从而达到预处理效果；而离线预处理通常是利用小口径光束商用激光器，通过扫描拼接的方式对大口径光学元件进行辐照，处理完成后再将元件放置在大型激光装置上使用。相比较于前者，学术界对离线预处理技术的研究较多，包括激光辐照能量、波长以及脉宽等激光脉冲参数对预处理效果的影响规律。
而经过多年的研究摸索，目前工程上多采用同波长、脉宽等于或低于光学元件应用激光的高斯/圆平顶脉冲，通过逐步抬升扫描激光能量的方式对目标元件进行激光预处理操作。尽管这些限定参数的激光脉冲使得光学元件的损伤阈值提高至2～3倍，远远超过其未处理阈值。但对于长时间暴露在高功率强激光下的一些光学元件(如KDP/DKDP光倍频元件等)来说，还未能满足其应用要求。因此，亟需探索新的预处理激光参数来更进一步提升激光预处理效果。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种提升光学元件激光损伤阈值的时间整形脉冲及其选择方法，用于进一步优化激光预处理效果、以获得最大的激光损伤阈值提升。
本发明的技术解决方案如下：
一方面，本发明提供一种用于提升光学元件激光损伤阈值的时间整形脉冲，其特点在于，所述时间整形脉冲由含有任意波形发生器的激光产生装置发出的非对称脉冲，且在时域上呈慢升快降形状，在时域范围内脉冲前沿和后沿脉宽比值τ前/τ后≥2，脉冲最大强度与同脉宽高斯型脉冲相同。
另一方面，本发明还提供一种选择提升光学元件激光损伤阈值的最佳时间整形脉冲的方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
①在激光产生装置中预设上述时间整形脉冲；
②利用预设的时间整形脉冲对目标光学元件进行一系列损伤测试，以获得在该时间整形脉冲下目标光学元件的损伤特性；
③选择相同激光能量密度下造成损伤程度最小的时间整形脉冲作为最佳预处理脉冲，并确定所选时间整形脉冲在激光预处理工序中的初始能量梯度、能量递增梯度和最大能量梯度；
④对目标光学元件进行激光预处理。
其中，步骤②中所述损伤测试包括R-on-1损伤测试和损伤点微观形貌表征。其中R-on-1损伤测试损伤用于得到目标光学元件在预设时间整形脉冲作用下的损伤概率曲线P(F)；损伤点微观形貌表征用于得到目标光学元件在预设时间整形脉冲作用下的损伤点尺寸分布和形态特征；损伤点微观形貌表征是采用光学显微镜、扫描电子显微镜或原子力显微镜测试，具体根据目标光学元件损伤点特征确定。
步骤③中所述的初始能量梯度、能量递增梯度和最大能量梯度由所述最佳预处理脉冲作用下目标光学元件的损伤概率曲线P(F)决定。
步骤④所述激光预处理采用光栅扫描方法，电动样品台移动速度与所述预处理激光脉冲频率相对应，保证预处理激光相邻光斑的光斑能量90％重合。
本发明与现有技术相比较具有以下有益技术效果：
给出了一种不同于传统高斯型脉冲的时间整形脉冲，采用该时间整形脉冲可以将光学元件的激光损伤阈值进一步提升20％以上。
附图说明
图1为的三种时间整形脉冲，其中(a)为R400-F200 pulse为慢升快降脉冲， (b)为R300-F300 pulse为传统高斯型脉冲，(c)为R200-F400 pulse为反慢升快降脉冲。
图2为本发明使用到的激光损伤测试与激光预处理系统的简易结构示意图： 1-激光器，2-脉冲放大装置，3-倍频器件，4-时域可控脉冲发生装置，5-1/2波片， 6-第一偏振片，7-能量控制模块，8-第二偏振片，9-透镜，10-电动样品台，11- 目标光学元件。
图3为本发明激光预处理最佳时间整形脉冲的具体步骤。
图4为本发明三种时间整形脉冲的损伤概率曲线。
图5为相同能量密度的三种时间整形脉冲的作用下DKDP晶体的损伤点形态和尺寸分布分析。
表1为使用选择的最佳时间整形脉冲进行激光预处理后测得的目标光学元件的损伤结果，与传统高斯脉冲激光预处理相比，慢升快降脉冲预处理后目标光学元件的激光损伤阈值提高20％。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本实施例采用的激光预处理脉冲包括三种，如图1所示，R400-F200 pulse 为慢升快降脉冲，R300-F300 pulse为传统高斯型脉冲，R200-F400 pulse为反慢升快降脉冲，与慢升快降脉冲形成对照，三种脉冲脉宽均为600ps且具有相同的最大峰值强度。
本实施例所用损伤测试和激光预处理系统如图2所示，主要包括激光产生装置4、能量控制模块7、第二偏振片8、透镜9和放置目标光学元件的电动样品台10。激光产生装置包括激光器1、脉冲放大装置2和倍频器件3；能量控制模块包括1/2波片5和第一偏振片6；
其中，所述激光产生装置、能量控制模块、第二偏振片、透镜和放置目标光学元件的电动样品台均置于暗室中的减震光学平台上，周围无杂散光干扰；所述激光产生装置中激光器内任意波形发生器发出时间形状激光脉冲，被脉冲放大装置放大后经过倍频器件，输出用户预设的时间形状脉冲；输出脉冲依次经过所述能量控制模块中的1/2波片和第一偏振片以调节激光能量大小，经过所述第二偏振片调节激光束偏振，经过透镜以聚焦激光光束，最终到达目标光学元件；所述电动移动平台与计算机连接，通过计算机内程序控制平台的二维移动，以完成目标光学元件的激光预处理过程。
选取DKDP晶体作为此次激光预处理方法的实践载体，晶体为快速生长的 II类切割DKDP晶体，晶体尺寸为100mm×100mm×10mm，经切割、抛光等加工且表面无明显加工缺陷；激光发生装置发射波长为355nm的预设时间整形脉冲激光，能量波动始终保持≤2％，透镜焦距为4.5m，照射在目标光学元件表面的激光光斑有效面积为0.1±0.01mm2，二维移动平台x-y向移动精度为100μm。
实施例1：R400-F200 pulse慢升快降脉冲
①确保激光产生装置稳定输出能量RMS≤2％的预设时间整形脉冲慢升快降脉冲(R400-F200 pulse)，如图1a所示；
②利用R400-F200 pulse进行R-on-1损伤测试，得到DKDP晶体在该脉冲作用下的损伤概率曲线P(F)，如图4所示，其中损伤阈值LIDT＝6.0J/cm2；
③使用光学显微镜和扫描电子显微镜对损伤点形态进行观察分析，如图5a 所示，发现在4.0J/cm2能量密度下，损伤点尺寸分布范围为60.6±15.5nm；
④使用R400-F200 pulse时间整形脉冲对目标光学元件进行激光预处理，根据损伤概率曲线确定所需最大激光能量密度Fmax＝10％P，初始能量密度 Fin＝10％LIDT，能量台阶ΔF＝10％LIDT，；
⑤激光预处理过程结束后，使用8ns高斯脉冲光验证激光预处理结果，根据表1，判别时间整形脉冲对于DKDP晶体的激光预处理效果：未经任何激光预处理的原始区域8ns激光损伤阈值为16.8J/cm2；而经过R400-F200 pulse时间整形脉冲预处理后，DKDP晶体8ns激光损伤阈值为28.6J/cm2，较原始损伤阈值提升70％。
对比例1：R300-F300 pulse传统高斯型脉冲(图1b)
通过上述步骤，DKDP晶体在R300-F300 pulse作用下损伤阈值LIDT＝5.5 J/cm2；损伤点尺寸分布范围205±91.1nm(图5b)；最终经过R300-F300 pulse 时间整形脉冲预处理后，DKDP晶体8ns激光损伤阈值为23.7J/cm2，较原始损伤阈值提升41％。
对比例2：R200-F400 pulse反慢升快降脉冲(图1c)
重复实施例步骤，DKDP晶体在R200-F400 pulse作用下损伤阈值LIDT＝5.0 J/cm2；损伤点尺寸分布范围138±117.6nm(图5c)；最终经过R300-F300 pulse 时间整形脉冲预处理后，DKDP晶体8ns激光损伤阈值为21.9J/cm2，较原始损伤阈值提升30％。
表1
对比实施例和两个对比例，经过慢升快降脉冲激光预处理后的DKDP晶体纳秒损伤阈值比同脉宽高斯脉冲激光预处理的提升20.6％，而经过反慢升快降脉冲激光预处理后的DKDP晶体纳秒损伤阈值比同脉宽高斯脉冲激光预处理的下降 8％。因此，慢升快降型时间整形脉冲可以进一步提升激光预处理效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种提升光学元件激光损伤阈值的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①在激光产生装置中预设时间整形脉冲，所述时间整形脉冲由含有任意波形发生器的激光产生装置发出的非对称脉冲，且在时域上呈慢升快降形状，在时域范围内脉冲前沿和后沿脉宽比值，脉冲最大强度与同脉宽高斯型脉冲相同；
②利用预设的时间整形脉冲对目标光学元件进行一系列损伤测试，以获得在该时间整形脉冲下目标光学元件的损伤特性；
③选择相同激光能量密度下造成损伤程度最小的时间整形脉冲作为最佳预处理脉冲，并确定所选时间整形脉冲在激光预处理工序中的初始能量梯度、能量递增梯度和最大能量梯度；
④对目标光学元件进行激光预处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤②中所述损伤测试包括R-on-1损伤测试和损伤点微观形貌表征。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述R-on-1损伤测试损伤用于得到目标光学元件在预设时间整形脉冲作用下的损伤概率曲线P(F)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述损伤点微观形貌表征用于得到目标光学元件在预设时间整形脉冲作用下的损伤点尺寸分布和形态特征。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述损伤点微观形貌表征是采用光学显微镜、扫描电子显微镜或原子力显微镜测试，具体根据目标光学元件损伤点特征确定。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤③中所述的初始能量梯度、能量递增梯度和最大能量梯度由所述最佳预处理脉冲作用下目标光学元件的损伤概率曲线P(F)决定。
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