（光学专业论文）激光毁伤多参数测试技术研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 | f i i i iii l l i l li ii ii i f l1111iiij y 17 4 0 9 8 8 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，激光毁伤多参数测试技术研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：数2 丝午月堡日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n y 3 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 型生年月丝日 导师签名：至妞迎午五月马日 摘要 随着光学技术的发展，对光学介质材料的要求越来越高，因此，对光学元件的检 测研究具有重要的意义。 本文围绕激光对光学介质材料损伤进行了深入的研究，研究了光学介质材料的损 伤机理、激光损伤的判定方法、激光损伤的测试方法、激光损伤阈值以及等离子体的 性质，主要进行了激光对玻璃介质的损伤研究，从理论上分析了光学损伤的各种判断 方法，讨论了各种测试方法以及激光参数对玻璃介质损伤的影响。 本文搭建了相应的激光损伤在线检测损伤系统，主要对k 8 、k 9 玻璃进行了激光 损伤阈值的检测，并通过多种观察手段对玻璃介质的损伤进行判断和相应的分析。通 过实验证明，可以用等离子体发光光谱法、激光透过率检测以及金相显微镜检测等在 线检测系统来有效地判断激光对玻璃介质的损伤程度。 关键词：光学介质材料玻璃介质激光损伤等离子体光谱法 a b s t r a c t w i t ht h eo p t i c a lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，t h e r ei sh i i g hd e m a n do fo p t i c a lm e d i am a t e r i a l s t h e r e f o r e ， d e t e c t i o no fo p t i c a lc o m p o n e n t si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fl a s e rd a m a g eo fo p t i c a lm e d i am a t e r i a l s ，d e s c r i b e st h ed a m a g e m e c h a n i s mo fo p t i c a lm e d i am a t e r i a l ，t h ed e t e r m i n em e t h o do fl a s e rd a m a g e ，t e s t i n gm e t h o d so fl a s e r d a m a g e ，t h r e s h o l do fl a s e rd a m a g ea n dt h ep l a s m ac h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r , i tm a i n l yd i s c u s s e dt h e l a s e rd a m a g eo ft h eg l a s sm e d i u m ，a n a l y z e dt h ev a r i o u sj u d g i n gm e t h o d so fo p t i c a ld a m a g e ，d i s c u s s e d i n f l u e n c eo fv a r i o u st e s t i n gm e t h o d sa n dl a s e rp a r a m e t e r so nt h eg l a s sm e d i u m m j u r y t h ec o r r e s p o n d i n gl i n ed e t e c t i o no fl a s e rd a m a g es y s t e mi sb u i l tu p i tm a i n l yd e t e c t e dl a s e rd a m a g e t h r e s h o l do fk 8 ，k 9g l a s s ，o b s e r v e dt h r o u g hav a r i e t yo fw a y st od e t e r m i n et h ed a m a g eo ft h eg l a s s m e d i u ma n dd os o m ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i s t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a t u s i n gp l a s m ae m i s s i o n s p e c t r o m e t r y ，l a s e rt r a n s m i s s i o no p t i c a lm i c r o s c o p yd e t e c t i o n , a l lp h a s em i c r o s c o p yl i n ed e t e c t i o n s y s t e me f f e c t i v e l yd e t e r m i n el a s e rd a m a g eo ng l a s sm e d i a k e y w o r d s ：o p t i c a lm e d i am a t e r i a l g l a s sm e d i u ml a s e rd a m a g e p l a s m as p e c t r o s c o p y m e t h o d 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 激光毁伤研究的背景和意义1 1 2 激光毁伤研究的进展1 1 3 激光毁伤的几种测试方法3 1 4 本论文的主要工作3 第二章激光毁伤原理5 2 1 激光毁伤的原理5 2 1 1 雪崩电离5 2 1 2 多光子电离6 2 1 3 杂质缺陷诱导损伤6 2 1 4 吸收等离子体6 2 2 光学介质激光损伤阈值测试方法7 2 3 损伤判定方法1 1 2 3 1 相衬显微镜观测法：1 l 2 3 2 散射光检测法一1 2 2 3 3 等离子体发光法1 3 2 3 4 声光法m 3 1 3 2 3 5 光热法m 3 1 4 2 3 6 不同判定方法的比较i 1 4 2 4 激光参数对激光损伤的影响1 4 2 4 1 聚焦效应1 5 2 4 2 激光脉宽1 5 2 4 3 多脉冲激光1 5 第三章激光与等离子体的相互作用1 7 3 1 等离子体的性质和产生原理1 7 3 1 1 等离子体的性质1 7 3 1 2 激光等离子体的机制原理1 7 3 2 激光在等离子体中的传播和吸收，1 8 3 3 等离子体对激光的吸收2 0 第四章玻璃的特性和研究意义2 3 4 1 玻璃的特性2 3 4 2k 9 玻璃的研究意义2 4 第五章激光毁伤多参数测试技术实验研究2 5 5 1 激光毁伤阈值测试系统2 5 5 2 激光毁伤实验结果研究2 6 5 3 玻璃等离子你产生机理研究3 4 第六章总 结。3 7 致 谢3 8 参考文献3 9 第一章绪论弟一早瑁了匕 1 1 激光毁伤研究的背景和意义 自从上世纪6 0 年代，激光产生至今，光和物质之间的相互作用方面的研究得到 进一步拓展。光学介质在强激光的作用下会吸收激光能量并在很短的时间内发生表面 损伤或者体内丝状损伤或者体内炸裂损伤，光学元件的损伤尤其是光学薄膜的激光损 伤将会严重影响激光输出的品质。作为大部分光学元件中不可缺少的基本元件之一的 光学薄膜，也是整个激光系统中不可或缺的组成部分之一，而且还是整个激光系统中 抗激光损伤能力最薄弱的一个部分。长久以来，当激光与光学元件相互作用时，光学 元件的损坏问题一直是阻碍激光向高功率、高能量方面的发展的主要问题，高功率激 光介质元件使用寿命的长短主要也受其影响。因此，对光学介质抗激光损伤方面的研 究，再具体的说也就是其损伤的机理和损伤测量的研究工作，引起了广大科学工作者 的普遍重视，他们做了大量的研究工作并取得了一定的成就，为在激光损伤方面更加 深入的研究打下了坚实的基础。 1 2 激光毁伤研究的进展 激光与物质之| 自郴计甘且作用j i j 决于激光的性质和物质盼陛质，外部队素对乓也有 一定影响。激光的性质包括波长、能量密度、功率、脉宽、脉冲结构等参数，作用物 质的性质包括光学元件的反射率、透过率等参数，其中任何一种参数与其相互作用的 研究都是非常有意义的，任何一个部分都是一项重要的研究课题。 自从2 0 世纪6 0 年代初调q 激光器的出现以来，激光诱导光学元件的损伤就被人 们所发现。直到2 0 世纪7 0 年代高功率激光器的出现，限制激光器发展的主要原因 是光学元件的抗激光损伤能力。 国内外的科学工作者在光学介质材料的激光损伤方面做了大量研究工作，早在 1 9 6 5 年t u r n e r 等人就开始研究激光与光学介质相互作用的破坏机理，我国在这方面 的研究相对较晚，但是也在两年后开始了相应的研究工作。我国的大多数科研工作者 在实验观察与理论分析相结合的基础上来研究激光损伤问题，分析了不同的激光参数 与不同的光学介质材料之间的影响关系，相应的提出了损伤机制，其中包括雪崩电离 机制、多光子电离机制、以及缺陷和杂质诱导损伤机制，并相应的对其做出了解释。 上世纪7 0 年代r w h o p p e r 等提出单杂质诱导损伤模型理论，分析了杂质对各 种损伤的影响，定性地研究了杂质的种类、形状、大小对块体材料的热损伤、应力损 伤的影响；1 9 7 3 年m s p a r k s 担3 等研究了杂质的吸收截面、吸收深度以及温度对能量吸 收的影响；1 9 7 8 年，w l e es m i t h 通过光学材料的激光损伤实验，测得了一些数据， 然后对这些数据进行了细致的分析，论述了雪崩电离和多光子吸收的过程1 。1 9 8 1 年 t h o m a sw w a l k e r 等人通过理论实验研究，细致的分析了激光的脉宽、波长以及测试 样品厚度与损伤阈值的关系，进行相应的对比比较分析了损伤机制关于雪崩电离损 伤、多光子吸收以及杂质诱导等，总结出激光脉冲对光学薄膜的损伤机埋h 。1 9 8 2 年 j 1 1 m n a u s r p i u r 埔1 等人以m x a w e l l 方程为基础，建立了多层膜的驻波场理论：1 9 8 4 年， 欧美8 个实验室合作，用波长1 0 6 朋激光辐照在光学介质材料，研究了激光的的损 伤形貌变化在脉宽和辐照面积相同的情况下，对其损伤阈值做了相应的研究眦，通过 对结果的分析研究，提出了相应的公式，并指出了实验结果与不同外界因素之间的相 互关系。1 9 9 8 年v n s t r e k a l o v 提出了相应的原子吸收模型口3 ，提出了特定的公式， 该公式可以粗略的估算出损伤阈值，尽管这样，一些问题还是不能很好地被解决。2 0 0 2 到2 0 0 4 年间f b o n n e a u 1 等用数值模拟了杂质引起的损坏过程。 在激光与物质的相互作用机理方面的研究我国较晚于国外，但是由于硬件的限制， 尤其是激光器件的限制，1 9 6 0 至u 1 9 7 0 这十年间只针对短脉冲激光对靶材破坏效应的理 论进行了研究，1 9 8 0 年以后，关于强激光引起光学材料的热学、力学效应方面的研究、 损伤的理论研究、测试手段以及数值模拟计算等领域上都做了重点研究并取得了相当 大的成就。尤其是提出了测试方法，对于测试激光破坏的过程和效果方面得到了很大 的提升，在强激光作用下，可以对光学材料表面的变化进行在线观测，为光学材料的 激光破坏效果的实验研究奠定了坚实的基础，方便了对实验结果的进一步研究。在高 功率激光、光电二! ! 及管、c c d 的局部破坏效应以及饱和效应等方而，分别进行了大：晕：的 理论实验研究。但多数局限于由激光导段的，光电传感器r i | 电子吸收了激光能量而向 导带跃迁，引起暗电流的增加，从而使光学器件达到饱和状态以及失效甚至是烧毁的 软破坏，只有极少数是关于硬破坏机理方面的研究，针对强激光作用下引起等离子体 产生，提出了一套参数测试系统，初步研究了等离子体冲击波对光学介质材料的影响。 1 9 8 9 年赵强、范正修n 们等根据实验结果，对多层介质膜的体吸收与界面吸收进行 了研究。 1 9 9 1 年孙利国以及本校李永正、沈柯教授他们考虑了激光在材料内的热源效应后， 对相应的方程n 妇进行了求解，总结出了三种情况下激光损伤阈值与脉宽的关系式。利 用光学材料表面的温度分布曲线，讨论了光学材料破坏的热机理。用这一理论模型可 预测光学材料的损伤阈值，用已知脉宽的损伤阈值推导其它脉宽下的损伤阈值时也是 可行的。通过对实验结果与理论预测值的比对，它们在一定范围内很好的符合了标准。 1 9 9 4 周东平等介绍了通过利用1 0 6 p r o 连续n d ：y a g 激光对红外滤光片进行辐照致使 其损伤的实验研究n2 1 ，从光学薄膜的热物性角度确定了红外滤光片的损伤阈值，通过 对红外滤光片的损伤过程的研究，初步提出了红外滤光片的损伤机理。 1 9 9 6 年赵强、范正修n 3 3 等根据实验结果，总结了光学薄膜界面吸收对温度场的影 响。并且研究了不同薄膜结构的的损伤阈值。 2 0 0 2 年罗福等用热弹性模型做基础模型，利用有限元法，以不同光斑尺寸的红外激 光辐照k 9 玻璃，并对样品中的温度和压力分布进行了计算n 圳，提出厂光斑尺寸与k 9 玻 璃红外激光损伤阂值之问的关系。 2 0 0 5 高卫东等利用波长为1 0 6 4 以聊的n d ：y a g 激光器以多脉冲和单脉冲输出模式辐 照单晶硅材料来研究其光学薄膜的损伤特性n 别，通过对这两种激光作用下单晶硅损伤 形貌的研究分析，在热效应与热力耦合理论模型的基础上，对单晶硅的激光损伤机制进 行了研究。 2 0 0 8 年贾俊等通过用脉宽为l o n s 、波长为1 0 6 4 ，册的激光脉冲聚焦后辐照k 9 玻璃 的方法n 蜘，研究了玻璃的损伤形貌特点与高强度纳秒激光脉冲的关系。 到目前为止，人们对激光毁伤还没有完整的认识，光学材料以及光学薄膜的激光毁 伤方面的研究还在继续。 1 3 激光毁伤的几种测试方法 衡量光学元件的抗激光损伤能力以及激光损伤机理方面的研究，这都与能否能准 确的测定光学元件的激光损伤阈值是分不开的。但是测定光学元件的损伤阈值的重点 在于是否能准确地判断出毁伤是否发生。因此研究激光损伤测试方法的重点在于检测 光学元件的损伤是否发生。 研究光学材料激光损伤的测试方法，相衬显微法和等离子体发光法是最初常用的 测试手段。相衬显微法是国际标准i s 0 1 12 5 4 提出的一种检测方法n7 1 。用放士至少为 1 0 0 或者1 5 0 倍的n o m a r s k i 相衬显微镜观察激光辐照样品前后的形貌，井加以比较， 用比较的结果来判断损伤是否发生。等离子体发光法主要原理是，当一束激光辐照在 光学介质材料上时并且其能量强度足够大，光学介质的表面辐照点出现了闪光，材料 吸收了激光能量后形成等离子体就是这种闪光产生的原因。但是这种测试方法相对比 较模糊而且很难找出损伤点，当辐照能量相对较低时，光学介质材料表面根本看不出 损伤，但是其内部的光学性能已经发生微观的损伤，人们以此为标准提出很多种的测 试方法，例如透射反射扫描法n 引、散射检测法n 们、光热偏转法脚1 等方法。各种方法都 有其利弊，符合国际标准的测试方法对判断损伤相对准确，但是也有大工作量、低效 率、难以实现在线检测等缺点。因此，需要对光学介质材料的激光损伤检测方法进行 更深一层的研究，来提高对激光损伤阈值判定的准确性，从而更好的研究激光损伤机 理。 7 1 4 本论文的主要工作 本文围绕激光对光学介质材料的损伤，描述了光学介质材料的损伤机理、激光损 伤的判定方法、激光损伤的测试方法、激光损伤阈值以及等离子体的性质，主要论述 了了激光对玻璃介质的损伤研究，从理论上分析了光学损伤的各种判断方法，讨论了 激光参数对玻璃介质损伤的影响。 本文搭建了相应的激光损伤在线检测损伤系统，主要对k 8 、k 9 薄膜进行了激光 损伤闽值的检测，并通过多种观察手段对玻璃介质的损伤进行判断和相应的分析。通 过实验证明，玻璃介质的损伤可以用等离子体发光光谱法、激光透过；簪榆测以及金相 显微镜检测等在线检测系统来有效地判断激光对玻璃介质的损伤程度。 第二章激光毁伤原理 2 1 激光毁伤的原理 激光毁伤是一个关于激光与物质之间相互作用的重要课题，其中包括很多相关的 物理过程，目前，通过对大量实验数据及理论进行了分析，指出损伤机理的本质是电 子吸收光子之后，产生了电离，从而产生了对光有很强的吸收能力的自由载流子，自 由载流子的数量与激光的吸收成正比。吸收的激光能量一般被转化为热能，在光学材 料内部引起部分的高温、高压从而在其上面产生应力，使材料本身发生熔化或炸裂损 伤。通过人们对激光毁伤的不断探索研究，从而不断提高了光学元件抗激光损伤的能 力。激光毁伤最主要的损伤主要来自光学元件的损伤，而其中的重点就是薄膜的损伤， 薄膜的损伤机理主要可分为雪崩电离、多光子吸收和缺陷诱导损伤。下面将对这三种 损伤机理具体介绍： 2 1 1 雪崩电离 雪崩电离的损伤机制是在强光场作用下，价电子被游离出来，从而导致电子密度 迅速增加而成为“吸收等离子体”，从而导致雪崩电离的发生。 由y a b l o n v i t c h 和b l o e m b e r g e n 参考了早期的直流电子崩击穿概念而创建的光学 介质材料的。写崩i h 离模型。介质原子导带- t 的电子在吸收幅照激者：的能签之后，而使 其自身的能量大大增加，电子发生离化是因为其吸收相当多的激光能量而使其相当不 稳定，极有可能与其价电子发生碰撞而变成两个，这个过程不断积累，致使样品表面 产生等离子体，直到样品由最开始的微观损伤变成宏观的损伤。利用这一方法， e p i f a n o v 提出了宽带隙介质出现损伤时的激光电场强度阈值瓦表达式如下口： e t h 2 _ - 警c 矿+ 去，南 汜t ， 式中以是材料带隙能量，m 。是电子质量，c g 是样品中的声速，l 是再生电子数，吒 是波尔兹曼常数，丁是温度，p 是电子电荷，三。是电子与声子碰撞的平均自由程，口 是损伤激光束的脉宽，国是损伤激光束频率，秒是与材料特性以及电场强度有关的 参数。但是在光学介质材料内部性能变化不大时，这个参数对损伤的影响很小。上式 写成能量密度表达式为： 厶= 0 5 c e , h 2 t p ( 2 2 ) 1 1 1 l p 式中占是电子能量，f 是光速，厶是损伤发生时的临界激光能量密度，即激光损 伤阈值。 由上面的2 1 、2 2 式昕示，我们可以很清楚的看f 1 3 ，辐照激光能量的损伤闯值 与脉宽及频率有着定的关系，通常是：激光脉苋与损伤闽值成正比关系，也就是激 光脉宽随着损伤阂值增加而增加，而激光频率与损伤阈值成反比关系，也就是随着频 率的增加损伤阈值相应的减小。 2 1 2 多光子电离 多光予电离与雪崩电离从原理上看基本相似，只是每次多光子电离发生时，是由 材料的禁带宽度、激光的波长及所吸收的光子数目所决定的。都是因为价带电子对激 光的多光子吸收口羽致使导带电子数的迅速增加而导致了电介质材料损伤。 对电介质材料能带结构缺乏足够了解是目前多光子电离理论的主要困难，虽然已 有多种结果，但是大都局限于双光子吸收的情况。k e l d y s h 得到了重要的理论结果， 而且使用非常广泛。其主要原因是：这个理论模型好于其它模型与实验结果的吻合程 度、对比度；当把这个理论模型转化到单光子吸收时，很好的符合现在已经得到的标 准理论，但是它也有着一定的缺点，那就是这个理论模型的数学方程极其的复杂。 2 1 3 杂质缺陷诱导损伤 杂质等局部吸收所引起的破坏的主要过程是熟过程。由局部吸收能量，达到高温 熔融、断裂，成为上述的吸收等离子体而遭到破坏。 杂质缺陷破坏机理的半定 连理论有很多种，栩对丽言f l o p p e r 和u h l m a n n 船朝的理论 是比较完善的，其计算涉及到很多参数，经过计算推导杂质尺寸与热损失成反比关系。 但是由于杂质太大，吸收的能量不能使其升温而达到损坏温度，它也不容易造成损伤。 所以，在一定的激光参数条件下，存在一个材料最容易受到激光损伤的尺寸值。缺陷 对损伤阈值的影响，人们做了很多方面的研究。通过研究发现，缺陷导致的光学介质 材料激光损伤，其损伤阈值与没有缺陷的材料的损伤阈值相比，至少低了2 - 3 倍，激 光损伤阈值与样品表面上缺陷的数目成反比。但是这并不是影响损伤阈值的唯一原因， 缺陷的大小也是影响损伤阈值的原因之一。但是目前为止还没有一个合理的解释，大 概有两种解释，一种解释是杂质缺陷造成光学介质中的某一部分的电场增加了，通过 对理论计算结果的分析，说明光学介质中的电场随着缺陷的直径和高度的增加而增加， 但是这种现象很普遍，并不能判断与杂质缺陷的关系。另一种解释是杂质缺陷( 真空 中薄膜表面的污染物引起的杂质缺陷) 的存在使得吸收增加或光被耦合到缺陷中，导 致其机械稳定性变差。在杂质缺陷导致光学介质材料的激光损伤，并不能通过杂质缺 陷引起电场增加的现象来判断，还要考虑其机械能的稳定性，是由很多的物理过程所 引起的。 2 1 4 吸收等离子体 七文提到的吸收等离子体在这里进行一下说明，通常所说雪崩电离和多光子吸收 是激光与光学材料相互作用所引起的损伤的_ 两个主要机理。b e t t i s 等人提出了一种自 由等离子体吸收加热模型乜利，他认为自由等离体对激光能量有很强的吸收作用，这 也是加快激光对材料的破坏的作用的主要原因。通过研究，找到性能好的材料作为光 学介质材料柬拇百光学元件的抗激光水平已经有所成就，但仍需不断探索。 2 2 光学介质激光损伤阈值测试方法 损伤阈值的测量不仅是光学介质损伤机制的研究所必须的，而且还是在提高光学 介质材料抗激光强度能力所必须的。 由于不同光学介质其本身内部结构存在差异所以必然导致其损伤机理也不尽相 同，而且不同的实验室对激光损伤测试的方法和标准也不尽相同，这就导致国内外对 实验所测得激光损伤阈值对比分析存在着一定的困难。导致此类问题的主要原因大致 可分为三类： ( 1 ) 损伤定义不同 一种是光学介质表面产生可以被观测到的物理变化，即硬损伤。另一种是功能性 损伤，这种损伤包括两种状态，一种是可逆的物理变化过程，另一种也是指硬损伤， 但是这种硬损伤有别于第一种硬损伤，其区别在于这种损伤不影响激光的传输特性， 而且在激光持续作用下损伤不再发生变化，这种说法对激光预处理有着非常重要的指 导作用，但是我们通常状况下所谓的损伤为第一类损伤。 ( 2 ) 激光参数和测试环境对损伤阈值的影响 激光工作模式、波长、脉冲宽度光斑尺n 能量密度、脉冲幅值等参数都会影 响测量样品的损沩阂值。 ( 3 ) 损伤的探测手段的不同而导致的差异 利用光学显微镜观察，有时也可以用h e - n e 散射光辅助观察，可以观察到光学介 质表面细微的形貌变化。通过引入c c dc a m e r a 对光学介质表面形貌进行分析，通过 辐照前后形貌的差异的对比分析来判断其损伤是否发生， c c dc a m e r a 的像素分辨率 和减法运算的精度与效率晗5 1 限制这种方法的精度。 完全内反射法是观察光学介质表面的损伤点，利用光学显微镜暗场进行观察，从 而可以提高其灵敏度，但这种方法要求基片必须是透明的。如果将光学介质的光学性 质的改变定义为损伤，这些变化并不是指光学介质表面形貌的改变，而且只能通过 n o m a r s k i 相衬显微镜观察，如果损坏点不易查找，也可以使用h e - n e 散射辅助其观察。 可以用肉眼观察到的损伤，例如光学介质表面出现由等离子体所发出的强光而引起的 损伤。k h g u e n t h e r 等人经过研究证明在研究激光损伤的测量时，利用h e - n e 散射是 最为行之有效的方法。而且国内外绝大多数对于激光损伤测试方法都是采用光学显微 镜观察，在形貌点不容易被找出时，利用h e - n e 散射法来辅助其观察。z l w u 等在薄 膜激光损伤实时监控中啪3 ，将光热技术加入来判断损伤是否发生，其判断依据是光热 信号是否发生不可逆变化。但因为这种方法需要前后信号的比对等原因，所以这种方 法在单脉冲损伤测试中是毫无作用的，但是其在多脉冲损伤和连续光损伤中却有很高 的使用价值，得到广泛的使用。通过科研人员数十年以来坚持不懈的努力，这种状况 正在得到逐渐改善。上世纪9 0 年代以来，在i s 0 9 0 0 0 国际质量标准体系的规范下， 建立了光学介质激光损伤的检测标准，以此标准来规定监控样品表面的方法、破坏的 标准、损伤阈值如何被定义及其获得的方法，对1 - o n - 1 和s - o n - 1 两种损伤方式都确 定了标准的体系。以这些标准为基准，可以准确的检测光学介质的损伤阈值，提高了 不同实验室通过实验研究测得的损伤阈值的一致性，加大了实验参数的可使用性和可 参考性。而n - o n 一1 、r o n 一1 这两种方法，还没有形成国际统一的衡量标准1 ，但是 美国l l n l 实验室已经通过对大量实验结果的分析总结，提出了一套测试方法和测试 标准，而且世界各国科研人员现在基本都是以这种标准作为测试的标准。本节主要是 对激光损伤阈值的测试方法、测试装置以及测试规范分别得做出了介绍。、 下面介绍一下损伤阈值测试的一些重要参数概念 1 ) 损伤定义 上面文章已经对激光损伤的定义做了具体的解释，在这里就不做详细的解释了； 但是激光损伤致使光学介质表面发生形貌的变化是可以被观察到的。表2 1 和表2 2 分别给出了光学元件结构破坏和功能破坏的主要表现形态。 表2 - 1 光学元件结构破坏的表现形态 表面和薄膜损伤表现形态体损伤表现形态 表面形貌变化 薄膜和表面相变 表面颜色变化 薄膜产生波纹 薄膜剥层或者脱落 表面裂纹 表面熔化 表面炸裂 体软化 体裂纹 体结构变化 颜色变化 气泡 细纹、条纹 熔化 爆炸性碎裂 表2 2 光学元件的功能性损伤 类型主要表现 热致功能损伤 反射型元件损伤 透射型元件损伤 场致功能损伤 表面形变，像场畸变，热应力变形，光 学参数变化，热致伸缩变形 反射率变化，位相变化，波形畸变，散 射增加，光束偏转 梯度折射率效应，自聚焦自散焦，双 折射效应，光束偏转，透射率变化，像 差，像散，光场畸变，空间分布变化 双折射，非线性效应，吸收增加，透过 率降低 目前，通过大多数科研人员的理沦实验研究，在放大倍数最少为1 0 0 1 5 0 倍的 n o m a r s k i 显微镜f 叮观测到得形貌变化，当光学介质表面特性发生丫永久性f i 叮逆变 化时，此时损伤随即产生。 激光作用在光学元件上，致使光学元件的表面发生损伤，此时输出激光的能量密 度即为损伤阈值。由于激光输出能量的稳定性和光学元件本身具有不均匀性等原因的 存在，损伤以一定的概率发生。因此，关于激光损伤阈值大致有两种定义：一种是从 能量密度考虑，以不造成破坏的最大值和造成破坏的最小值的平均值，称为5 0 损伤 概率；另一种是近几年才提出的，它主要是针对实验的测试结果而言，通过对所有的 测试结果的对比分析，当光学元件发生损伤时，取使其发生的最小能量密度值，即我 们所要测得的损伤阈值，称为零损伤阈值。损伤阈值受测试技术的种类以及其灵敏度 所影响。 2 ) 高斯光束 符合下式的能量截面被称为高斯光束： e ( r ) = e o e 一2 7 7 c 0 0 2 ( 2 3 ) 其中e 。是激光能量，是1 e 2 直径。 3 ) 光斑有效西i 移( 2 4 ) 光斑有效面积是激光能量与最大能量密度的比值。可表示为： o 锄= 毒 q 5 其中彳够是有效面积，q 为脉冲能量，日一为最大能量密度，当激光以一定角度 入射时，入射角窿与光斑的有效面积之间的关系也应该被考虑进去。可表示为： 锄= 瓦i q 丽 ( 2 6 ) 4 ) 能量密度 能量密度是激光能量与样品表面有效面积的比值。 5 ) 损伤阈值 当光学元件发生损伤时，取使其发生的最小能量密度值，即我们所要测得的损伤 阈值。 6 ) 测试方法 目前主要的阈值测试方法有1 - o n - 1 、s - o n - 1 、r - o n - 1 以及n - o n - 1 四种，其原 理如图2 1 ： a 、卜o n l ：又可以称之为单脉冲损伤，用1 - o n - 1 对样品进行测试，通过一个激光脉 冲辐照样品的一点，不管损伤产，蔓与否，都将移至下一个未辐照点继续 实验， b 、s o n l ：义可以称之为多脉冲损伤，在此测试过程中，在较短时浏内激光以相同 能量的多个脉冲辐照在样品的同一个点上，脉冲个数根据具体情况而定。 c 、r o n 一1 ：能量密度以斜坡式渐增的多次辐照样品测试点上。 d 、n o n 一1 ：能量密度以斜坡式渐增的多次辐照样品测试点上，每次辐照之间的能量 密度增量比r - o n - i 大，其他方面大致相同。 对于以上这四种测试方法，相同点是损伤阈值的概念以及确定方法，唯一的不同 点是激光辐照的方式。 ，a ) 一个位覆一个脉 巾 l m m 时，最与 a 成正比。在照射一定的时间下，当聚焦光斑尺寸小于恒定值后，激光致使其损坏的 能量趋于稳定。 2 4 2 激光脉宽 脉冲激光对红外材料的破坏程度大于连续激光对红外材料的破坏程度。当激光能 量恒定时，激光功率随着脉宽变短而升高，激光电场效应也随其增强，加上随着激光 损伤而产生的非线性效应，材料受到的损伤程度也增大。当功率保持不变时，脉冲激 光对材料的损伤程度随着脉宽变长而变大。 2 4 3 多脉冲激光 多脉冲激光较单脉冲激光的损伤阈值降低了很多，激光材料表面的亚表面损伤和 微观缺陷是造成多脉冲激光损伤的原因，材料吸收激光后的非线性发展积累能量的过 程口7 1 ，即激光辐照过程中，材料表面的亚表面损伤、微观缺陷及杂质对能量吸收造成 局部温度升高，当温度达到材料所能承受的一定得极限时，就会发生内部热炸裂，从 宏观上难以看出表面损伤，开始损伤带来的影响较小，但随着激光辐照的继续进行， 内部的损伤就会慢慢扩大，最终是材料发生严重的损伤。另一方面，激光脉冲得强度 如果小于一个规定的最小值，则激光辐照就不会引起材料内部的微观损伤，最终不会 表现为宏观上的损伤。 如下表2 3 所示，为多脉冲损伤的限定脉冲个数的最小值，表中数据不难看出随 着脉冲个数的增加，损伤阈值随之迅速降低。但同时，随着脉冲个数的继续增加，损 伤阈值降低的幅度逐渐减小，最终稳定在一个相对的平衡状态。限定脉冲数最小值的 存在，是因为热传导以及微观缺陷的驰豫的存在。 表2 - 3 脉冲数与损伤阂值的火系 脉冲数31 0 3 0 4 0 6 01 0 0 一一_ 。 损伤阈值3 5 3 53 2 4 2 5 8 8 2 5 42 3 5 2 1 8 5 ( j c m 2 ) 一 - 1 6 - 第三章激光与等离子体的相互作用 3 1 等离子体的性质和产生原理 3 1 1 等离子体的性质 物质状态的判定取决于其中粒子的动能大小，等离子状态时原子电离势小于动 能，这是一种新的物质状态。当气体高度电离时，这时带电粒子正、负极相互作用， 同时粒子密度很大，当作用力达到某一极值时，则在气体体积范围的空间里等离子体 保持电中性。当发生高度电离时，中性或者弱电离气体中的分子、原子、离子以及电 子等粒子之间相互作用，简单的说，就是少数粒子之间的相互碰撞。粒子所带电荷之 间的静电引起了物质之间不同的形态属性，所以大量粒子之间的相互运动和作用便是 等离子体的主要运动形态。 等离子体的一般性质有： 1 电准中性，当发生高度电离时，使得电中性的任何干扰都失效，因此等离子体 中产生较强电场，在该区域电中性得一定程度的恢复。即，等离子体中粒子所带电荷 随时间和空间改变变化极小。 2 强导电性，等离子体中含有大量的自由电子以及电离后的离子，具有极高的导 电! 导性。 3 磁场控制特性利用磁场中的磁力，有效地控制等离子体的位置形状和运动方 式。 4 集体相互作用特性，等离子体中存在大量带电粒子，这些粒子通过本身运动所 产生的电场现象，简单的说就是其自身的各种波动过程。 等离子体根据温度高低可具体分为： 1 低温等离子体：在3 1 0 2 3 1 0 4 k 范围之间，还可以根据重粒子的温度高低 把等离子体细分为热等离子( 3 1 0 4 k ) 体和冷等离子体( 电子温度1 0 4 k ) 。 2 高温等离子体：在1 0 6 1 0 8 k 范围之间，例如受热量约束的核聚变中的氘氚气 体就是高温等离子体。 等离子体按粒子数密度的大小可分为钔： 1 粒子数密度相对较高的等离子体通常也称为高压等离子体，稠密等离子体的 粒子数密度在1 0 ”1 0 1 8 个i c m 3 ，这时，等离子体中的离子之间无相互作用。 2 粒子数密度相对较小的等离子体通常也称为低压等离子体，稀薄等离子体中 的粒子数密度 或波数k - - 90 必须满足的条件为c o 。= c o 。此时，定义电子密度的临界值为： 卵) 删一，= f i o m 。国2 e 2 = 1 1 x 1 0 2 1 ) 埘2 ( 3 1 ) 上式中，厶为真空中的激光波长。根据色散关系方程，可得，在等离子体中， 激光的相速度为、：1 ，p 羞衫后= c ( 1 - c 2 c 0 2 ) v 2 ( 3 2 ) 激光的群速度为：v q 三a 略= c ( 1 一彩胆2 卢2 ) v 2 ( 3 3 ) 进而，由上面两个式子得出：v g v p = c 2 ( 3 4 ) 在等离子体中，电子密度梯度方向与激光的传输方向相同时，为正入射，也就是 垂直入射；电子密度梯度方向与激光的传输方向相反时，以一定角度的入射，也就是 斜入射。由此得出，在等离子体中，激光作用产生的电子密度通常是不均匀的。激光 的极化方向也就是激光电场强度e 的方向。进而，在等离子体中，当激光为线性极化 时，极化方向在电子密度梯度方向与激光传输方向所构成的平面之内时，我们定义为 p 极化；极化方向和：电子密度梯度方向j 激光，f 0 输方向所组成的平面的垂直而，我们 定义为s 极化。当激光光束垂直入射到达临界面时，并发生反射时。但是，如果在等 离子体中，在临界面的周围，激光不能被吸收，保持k e 2 为常数时，当v g 减小时， 激光的电场强度e 随之增大，进而产生的光压与俐2 成正比关系。当激光光束斜入 射时，则不能到达临界面，而是在电子密度小于临界值时的某个位置发生偏转，此时 的位置我们记做折返点，这时的电子密度为札= 虬c o s 20 ，式中秒为激光束的入射 角。 如图3 1 所示，激光束在等离子体中传输的光路。在等离子体中，我们定义电子 密度梯度方向v m 与光束入射方向组成的平面为x y 平面。当x = o 时为临界面，只有 在x 岛 岛 幺。根据麦克斯韦方程组，激光传输的规律可以描述为： 乳雪= 古，专筹 5 ， v x 雷：一丝 上式中b 为磁场强度，j 为电流密度。在等离子体中，电子、离子的运动可以通 过相空问中的分布函数来描述，但比较复杂。这里就不详细介绍j ，。 只 岛 岛 q y x 如 x o 卜、x 卜 一眦 - r 、 - l ly a _ 临界面 ，( x 砘虬= 虬) x 图3 1 激光在等离子体中的传播光路示意 3 3 等离子体对激光的吸收 激光光束的大部分能量根据不同的机制被等离子体吸收，从而增大了电离强度并 且提升了等离子体的温度。正常、反常吸收是等离子体对激光的吸收方式的两大主要 分类。逆韧致吸收也就是常说的正常吸收，它产生的原理是利用激光电场中的产生高 频振荡的电子间相互碰撞产生能量，再将所得到的能量传到质量比电子大的粒子上， 这也就是等离子体变热的原因。 另一种吸收是反常吸收，它的吸收原理是通过多种非碰撞机制使激光产生的能量 成为等离子体自身的能量，从而提高了等离子体自身温度。反常吸收包括共振和多种 非线性不稳参量吸收两种：( 1 ) 共振吸收的过程是改变电子波能量来源路径，使其从 p 极吸收激光能量转换为电子l a n g m u i r 波能量。( 2 ) 多种非线性不稳参量吸收是由于 激光衰变引起的不同频率电磁波的产生的。等离子体中所会聚的光束是根据激光光束 相互竞争和耦合后而产生的，而并非是仅仅是通过相互作用单个完成。当厶0 3 5 , w n 时，主要是来自于反常吸收，可忽略其它吸收的过程。 相对于正常吸收，简言之，就是由离子和电子间的相互碰撞产生的震荡能量，从 而使离子获得能量的过程。激光电场中，电子震荡速度是可以和e 肋、0 ) ( i 为激 光强度) 同样增大或减小的。单位时间内一个电子由于碰撞损失的能量应该- b v “i o , z 成正比。激光以群速度传播，1 ，g = c p 一彩南仍2 】啦，电子密度m 与国船2 成正比，因此 激光传播单位长度后的强度损失可表示为 芦d 出一矗商1 譬c o ， d x 、| 、： z c ( 1 一国乙国2 ) 2 对式子进行简化后，得出等离子体的线性吸收系数为： 缸) 册一，= 2 9 1 x 1 0 一 nz l n z ( n 。| ne 冀ne ： ( 3 6 ) ( 3 7 ) 其中m 、。应用c m - 3 作为单位。根据公式得出结论，正常吸收在短波长激光光束作 用下将会有明显的提高；另外，吸收系数口在临界面附近趋近于无穷，可从z = 札m 可以看出。 以一定入射角入射的激光( p 极化) 在临界面附近发生共振吸收。如图3 1 所示， 当临界面位于x = 0 处时，假设只是在x 方向上等离子体电子密度不均匀，当激光处于 折返点时，电子密度梯度与激光电场两者的方向才是一致的。尽管到达了折返点，但 是其离临界面还存在一定距离的，从折返点到临界面的这段距离上，激光电场强度逐 渐变小，但是到达临界面处的电场强度已经非常的小了，f h 是 j ：不为零。等离子体中 的电荷分离是由十在电子密度梯度方向的激光电场强度所造成的影响，这时电场强度 的振幅变大。可以将上述电子密度表示成线性分布： l e l ：樊l l 一三+ f 兰l 1 ( 3 8 ) 2 z c o l cll 缈i 7 式中民为激光电场强度的振幅；三为等离子体电子密度分布的标尺长度；，矿是电子 与离子碰撞的频率。缈0 ) 称为g i n z b u r g 函数，可以近似表示为： 伊( f ) = 2 3 1 r e x p ( - 2 r 3 3 ) ( 3 9 ) 式中f 墨( c o l c ) a 3s i n o ，口是入射角。被吸收的激光能量与入射激光能量相比的比值 称为共振吸收系数，共振吸收系数为驴2 ( 0 2 。 共振吸收其实是把电磁波( 横向) 转换成静电波( 纵向) 的过程，即共振吸收的 实质就是波模式的转换。静电波传播方向是沿着电子密度梯度方向向低密度等离子体 传播的，群速度与电场强度的振幅成反比关系。静电场将会对一些电子产生加速影响， 使电子速度得到一个很大的提高。这些电子初期被限定在静电波所控制的势阱中，接 着随着共振电场强度逐渐变大，当电子的速度达到一定值时，将会导致“波破裂 。 普遍情况来看，带巾粒子协调、稳定及规则的运动所产生规则的波，由于能量的增大， 电子温度较高时就破坏了相对的平衡规律，从而导致“波破裂 的发生，这些打破 舰律的电子( 高能超热电子) 也随即被释放出来。因此，当电子的振荡速度等于共振 区的有效相速度时，这些电子就会打破所维持的平衡规律。所以，产生高能超热电子 的主要机制足共振吸收。， 2 2 第四