纳秒单脉冲激光诱导光学元件破坏的损伤探测系统毕业设计.doc

1 绪论
课题背景及意义
光学薄膜、光学玻璃等光学元件几乎是所有光学系统中不可缺少的基本元件,并且也是激光系统中最薄弱的环节之一。应用于激光惯性约束核聚变或高能武器系统的高功率激光要求在长时间范围内稳定地工作,或系统的性能不产生明显的降低,这就对光学元件提出了更高的要求。长期以来,激光对光学元件的破坏一直是限制激光向高功率、高能量方向发展“瓶颈”,也是影响高功率激光元件使用寿命的主因。另一方面,光学薄膜等也是导弹、遥感卫星等航天飞行器中导引、定位、遥感甚至能源系统中的重要组成元件,应用强激光武器对光学元件的破坏可以造成航天飞行器的致眩、致盲、失控,甚至于系统的整体失效。光学元件中即使出现十分微小的瑕疵,也会导致输出光束质量的下降,严重时将引起整个系统的瘫痪,光学元件的抗损伤特性将直接影响到整个系统的设计方案以及今后系统运行的性能。所以,研究光学元件的抗激光破坏问题具有非常重要的意义[1]。
然而,激光对光学元件的损伤是一个复杂的过程,它由作用激光(重复频率、波长、脉宽、偏振态、模式、光斑、辐照方式等)和光学元件的性质(元件光学特性、膜料、制备工艺、元件结构、缺陷密度等)两方面决定。不同的激光参数条件对同一薄膜会产生不同的损伤结果。不仅如此,由于激光损伤是光学元件与强相干辐射相互作用的结果,在强相干辐射作用下,光学元件具有许多新的行为,而这些行为通常难以用经典光学元件光学理论进行解释。因此,建立完整的损伤探测系统,研究光学元件激光损伤,分析其与强激光相互作用的过程及其结果,将会促进强激光材料科学等的形成与完善,因此具有重要的学术意义[2]。
作为研究光学元件损伤行为的重要手段,对元件损伤行为相关各种特性的测试技术的发展和应用也是必不可少的一个研究内容。不仅要对光学元件作精确、快速、定量的分析,还要定性地找到其损伤的来源与损伤机制,而这一切都严格地依赖于我们的测量技术和系统。先进的光学元件损伤探测系统将促进对光学元件损伤机制的研究,从而促进薄膜等的制备工艺的改进[1]。
光学元件激光损伤测试技术进展[3][4]
损伤阈值的测量是高功率激光薄膜研究的重要内容,这不仅是薄膜损伤机制的研究和抗激光强度的标定和提高所必须的,而且是在激光系统中的能够最有效地利用薄膜所必须的[3]。
由于光学元件损伤机制的复杂性和元件本身结构的复杂性,加上每个探测系统对损伤的检测标准和破坏激光的时空特性各不相同,所以不同实系统测得的损伤阈值可比性很差,使各国工作者之间的交流碰到了一定的问题,同时也导致了光学元件制备方与使用方之间的交流障碍。导致这些问题的原因主要有三类:
(1) 损伤定义不同
器质性损伤,即硬损伤,指薄膜表面发生的可观测的不可逆物理变化。
功能性损伤,是一个比较复杂的概念,在不同的场合有不同的含义,一种是指可逆的物理变化,另一种是指硬损伤,但这种硬损伤的的存在不影响整个激光系统的运作和光束的传输特性,并且在后续激光作用下不发生扩展,这个概念在重复率激光损伤以及激光预处理过程中有着重要的意义。
除非特殊声明,在本章范围内我们讨论的对象主要是器质性损伤。
(2) 激光参数和测试系统对阈值的影响
激光工作模式、偏振态、入射角、波长、脉冲宽度、脉冲重复频率、光斑尺寸以及温度湿度等都将影响样品的损伤阈值测量结果。
(3) 对损伤的探测手段不同而导致的差异
若以光学显微镜或辅以氦氖散射观察,则损伤可以是薄膜表面形貌的微小变化。D 相机,将激光辐照前后薄膜表面形貌的图象进行“相减”运算从而判断损伤出现与否,可使损伤实验实现自动化测量,D 相机的像素分辨率和减法运算的精度与效率。雾气法也可用来观察薄膜表面的损伤点,即在薄膜表面呼气,水蒸气遇冷凝结在损伤点上可形成异常于未损伤区的斑纹,该法的缺点是人为地在薄膜中引入了潮气,不利于之后的测量。完全内反射法中利用光学显微镜暗场观察膜面的损伤点可以获得很高的灵敏度,但该法要求基板和薄膜透明。如果将光学薄膜的损伤定义为薄膜的光学特性的改变,如激光诱导折射率的不可逆变化,局部的高应力集中引起的波像差等,这些变化并不表现为表面形貌的改变,只能由Nomarski偏振光干涉显微镜或辅以氦氖散射观察。以肉眼也可观察损伤,巨损伤如表面出现等离子体强光闪耀,薄膜被蒸发或膜层整个被剥裂等
[4]。

损伤机制的建立和进展是建立在对损伤过程的探测以及对损伤阈值定量分析的基础之上的,在上述机制的发展过程中,光学薄膜损伤测试技术也得到了长足的进步。包括两个方面的内容:其一是激光损伤阈值的测试技术,也就是在损伤阈值检测和评价方面,另一个方面是研究损伤机理必要的探测损伤过程的技术。
损伤阈值的测量是高功率激光薄膜研究的重要内容,这不仅