（光学专业论文）飞秒激光对双折射晶体损伤机制的研究.pdf

曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士口论文飞秒激光 对双折射晶体损伤机制的研究，是本人在导师指导下，在曲阜师范 大学攻读博士口硕士口学位期间独立进行研究工作所取得的成果。 论文中除注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文 的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中已明确的方式注 明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 柳郴 日期：侈。2 ，历z 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“) 飞秒激光对双折射晶体损伤机制的研究系本人在曲阜师范大学攻 读博士口硕士口学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士口学 位论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容 不得以其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、 使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以 采用影印或其他复制手段保存论文，可以公开发表论文的全部或部分 作者签名： 斧吮侈 内容。 翮鼬：京幽牛嗍： 仆l 丁f 日期：2 “7 夕现毛 曲阜师范大学硕士毕业论文 摘要 双折射晶体以其良好的光学、热学性能、化学稳定性以及抗机械拉力和压力，在物理、 化学、激光技术、信息处理系统和生物技术等研究领域具有广泛的用途。传统的双折射率 晶体器件在低能量密度光学系统中可以满足研究的需要。但是，随着激光技术的发展，高 能量激光系统的问世，特别是飞秒激光的出现，对以双折射率晶体为原料的器件损伤越来 越不容忽视，提高以双折射晶体为原材料的器件的损伤阈值，在高能量激光系统中的应用 愈发显得意义重大。 近年来随着研究激光对光学材料损伤研究的进展，对晶体损伤的情况也多种多样。从 损伤的机理来看主要有：1 晶体在加工过程中，由于抛光或裸露时间过长，引起的晶体表 面的凹坑、划痕、杂质以及晶体内的各种缺陷和杂质等所引起的热破坏；2 多光子吸收电 离破坏；3 晶体表面所受光压造成的破坏；4 晶体材料的雪崩击穿破坏；5 强激光非线性效 应自聚焦破坏；6 布里渊散射激发出超声波引起的破坏。其中机理2 和3 是很难在实验中 将他们分离开的，所以本文把二者结合起来进行探讨。 根据晶体的光轴数可将双折射晶体分为单轴晶和双轴晶，根据叱在晶体中传播的速度 的大小比较又分为正晶体和负晶体。不同性质的晶体搭配可制造许出多种类的器件，并且 在未来的激光技术发展中有广阔的应用前景。为满足技术发展的需求，材料对抗损伤性能 研究越来越受到人们的重视，最近几年来也获得了可喜的成绩，如对薄膜、光子晶体的损 伤等研究较为深入。但对传统的材料冰洲石、石英和云母等的损伤形貌和机理还鲜有报道。 因此，传统双折射晶体损伤形貌和机理的研究对提高晶体的损伤阈值和晶体光学元件设计 有非常重要的实际意义。 论文内容有以下几部分组成： 第一章为绪论部分，主要介绍了目前国内外对光学材料损伤的研究现状，介绍了课题 的来源，并对课题研究的必要性做了简要的阐述。 第二章对晶体激光破坏常见的种类从破坏激机理的角度做了介绍，对影响晶体激光破 坏的各种可能的因素做了详细的论述。 第三章从基本的理论出发，讨论了晶体损伤常用的实验装置系统。从理论方面，对晶 体常用的损伤方法和检测方法做了比较详细的论述，对引起损伤和分析过程中出现的不确 定因素做了仔细的分析。 第四章主要介绍了飞秒激光器的结构及工作原理，总体介绍了飞秒激光对光学材料破 坏的研究现状，以及飞秒激光在微加工方面的应用。 第五章作为重点部分，根据在不同能量下对晶体进行损伤的实验，从两个方面对晶体 损伤形貌的形状，实验过程中的出现的现象，以及破坏机理做了比较详尽的论述。最后能 够得出了理论与实验相符合的结论。 本文的主要创新点是： ? 曲阜师范人学硕士毕业论文 一1 a b s t r a c t b e c a u s ei th a sg o o do p t i c a l 、t h e r m o t i c sn a t u r ea n dc h e m i c a ls t a b i l i t ya n dh a s a n t i m e c h a n i c a ls t r e s sa n dp u l l ，d o u b l er e f r a c t i n gc r y s t a li sw i d e l yu s e di np h y s i c s ， c h e m i s t r yl a s e rt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o nh a n d i n gs y s t e ma n db i o l o g yt e c h n o l o g y a n ds oo n t r a d i t i o n a ld o u b l er e f r a c t i n gc r y s t a lc a ns a t i s f yt h en e e di nl o we n e r g y d e n s i t ys y s t e m b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h el a s e rt e c h n o l o g y , h i g he n e r g y l a s e rs y s t e mh a sc o m eo u t ，e s p e c i a l l yf e m t o s e c o n dl a s e rh a sb e e np r o d u c e d t h e d e v i c ei sm a d eo fd o u b l er e f r a c t i n gc r y s t a lm a t e r i a l ss h o u l dn o tb eo v e r l o o k e d i m p r o v i n gd a m a g e d t h r e s h o l do fd e v i c ew h i c hi sm a d eo fd o u b l er e f r a c t i n gc r y s t a l m a t e r i a l si sam o r es i g n i f i c a n c ei nu s eo f h i g he n e r g yo p t i c a ls y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ep r o g r e s so ft h es t u d yo fd a m a g eo fo p t i c a lm a t e r i a l s ， t h ew a yt od a m a g et h ec r y s t a li sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ev a r i e t y f r o mt h e m e c h a n i s mo fd a m a g e ，t h e r ea r et h em a i nv i e w sa sf o l l o w s ：1 ，i nt h ep r o c e s so f c r y s t a l ，a st h ep o l i s h i n go re x p o s e df o rt o ol o n g ，i ti sc a u s e ds u r f a c eo ft h ep i t , s c o r e ，i m p u r i t i e s ，a n da l lk i n d so ff l a wa n ds c o r ei nt h ec r y s t a l 2 ，m u l t i p h o t o n a b s o r p t i o ni o n i z a t i o nd a m a g e ，3 ，d a m a g es u f f e r e db yl i g h tp r e s s u r ef r o mc r y s t a l s u r f a c e 4 ，a v a l a n c h eb r e a k d o w no fc r y s t a lm a t e r i a l 5 ，d a m a g eo fs t r o n gl a s e r n o n l i n e a re f f e c ts e l f - f o c u s i n g a tl a s ti ti sb r i l l o u i ns c a t t e r i n gi n s p i r et h ed a m a g e c a u s e db yu l t r a s o u n d i ti s v e r yd i f f i c u l tt o d i f f e rt h em e c h a n i s mt w oa n d m e c h a n i s mt h r e e ，s ot h e ya r es t u d i e db yc o m b i n e dt h et w om e c h a n i s m a c c o r d i n gt ot h eo p t i ca x i so fc r y s t a l ，d o u b l er e f r a c t i n gc r y s t a lc a nb ed i v i d e d i n t os i n g l ea x i sc r y s t a la n dd o u b l ea x i sc r y s t a l ；a c c o r d i n gt op r o p a g a t i o nv e l o c i t y o fl i g h ti n c r y s t a l ，d o u b l er e f r a c t i n gc r y s t a lc a nb ed i v i d e di n t op o s i t i v ea n d n e g a t i v ec r y s t a l t h e s ec r y s t a l sc a nb em a d ei n t om a n yk i n d so fa p p l i c a t i o n d e v i c e s ，a n dt h e r ea r eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nl a s e rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i nt h ef u t u r e i no r d e rt oa d a p tt h en e e do fn e wl a s e rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ， r e s e a r c ho fd a m a g et h r e s h o l do fo p t i c a lm a t e r i a l sh a so b t a i n e de n c o u r a g i n gr e s u l t s i nr e c e n ty e a r sa th o m ea n da b r o a d f i l ma n dp h o t o n i cc r y s t a l sh a v eam o r e i n d e p t hi n j u r ys t u d y r e s e a r c h o n d a m a g em o r p h o l o g y a n dm e c h a n i s mo f t r a d i t i o nc r y s t a l ，s u c ha si c e l a n dc r y s t a l ，s i l i c o na n dm i c a ，h a sf e wr e p o r t r e s e a r c h o ft r a d i t i o n a ld o u b l er e f r a c t i n gc r y s t a ld a m a g em o r p h o l o g ya n dt h em e c h a n i s mh a s a l s oac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et oi m p r o v et h ed a m a g et h r e s h o l do fc r y s t a l sa n d c r y s t a lo p t i c a le l e m e n t t h e r ea r es e v e r a lc o m p o n e n t st h e s i sc o n t e n ta sf o l l o w s 曲阜师范大学硕士毕业论文 - 2 - c h a p t e ro n ei si n t r o d u c t i o n ，i ti n t r o d u c e so p t i c a lm a t e r i a ld a m a g eo ff o r e i g n a n dd o m e s t i cs t a t u so nt h ec u r r e n t ，d e s c r i b e st h es o u r c eo ft h es u b j e c ta n db r i e f l y e l a b o r a t e st h en e c e s s i t yo ft h er e s e a r c h c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st y p eo fl a s e rd a m a g eo fc r y s t a l f r o mt h ec o m m o n d a m a g em e c h a n i s m ，a n dd i c u s s e s av a r i e t yo fp o s s i b l ee f f e c tf a c t o r so fl a s e r d a m a g e f r o mt h eb a s i ct h e o r yc h a p t e rt h r e ed i s c u s st h ec o m m o n l yu s e de x p e r i m e n t a l d e v i c es y s t e m i nt h e o r y , i td i s c u s s e sc o m m o n l yu s e dm e t h o da n dd e t e c t i o n m e t h o d so fd a m a g et ot h ec r y s t a li nd e t a i l ，a n dc a r e f u l l ya n a l y s e su n c e r t a i n t y d u r i n gp r o c e s so f t h ed a m a g ea n dt h ea n a l y s i sp r o c e s s c h a p t e rf o u rm a i n l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fl a s e r ，i n t r o d u c e s g e n e r a l l yr e s e a r c ho fd a m a g et oo p t i c a lm a t e r i a l so f t h ef e m t o s e c o n dl a s e r , a n d a p p l i c a t i o ni nf e m t o s e c o n dl a s e rm i c r o p r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s c h a p t e rf i v ei st h em o s ti m p o r t a n to n e a c c o r d i n gt od a m a g et oc r y s t a li n d i f f e r e n te n e r g yd a m a g ee x p e r i m e n t ，f r o mt w oa s p e c t si td i c u s s e st h ec r y s t a l d a m a g em o r p h o l o g y , t h ep h e n o m e n o ni np r o c e s so fe x p e r i m e n ta n df i n a l l yc o m e t ot h ec o n c l u s i o nc o n s i s t e n tw i t ht h e o r ya n de x p e r i m e n t t h e r ea r et w oa s p e c t so fi n n o v a t i o no ft h i st h e s i sa sf o l l o w s 1 i ta n a l y z e di n t e r n a lf a c t o r st oc a u s et h ec r y s t a ld a m a g e f r o mt h eu n e v e n d i s t r i b u t i o no fe n e r g yo ff e m t o s e c o n d1 a s e rb e a m ，i ta n a l y s e st h ec h a r a c t e ro f c r y s t a ld a m a g em o r p h o l o g y , d e s c r i b e st h ep h e n o m e n o nw h i c ha r i s ei np r o c e s so f e x p e r i m e n ti nd e t a i l i th a sg u i d a n c ea n dr e f e r e n c es i g n i f i c a n ti nt h et r a d i t i o n a l d a m a g et od o u b l er e f r a c t i n gc r y s t a l si ns t r o n gl a s e rs y s t e m 2 t h r o u g ht h ea n a l y s i sm o d e lo fs e l f - f o c u s i n gd a m a g ea n dm u l t i e l e c t r o n i o n i z a t i o na b s o r p t i o n ，i ts u p p l i e st h et h e o r yr e f e r e n c ef o ro p t i c a lm a t e r i a l sa t d i f f e r e n te n e r g i e st od e t e r m i n et h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i s mo fd a m a g e k e yw o r d s ：l a s e ro p t i c s ；f e m t o s e c o n dl a s e r ；d a m a g em o r p h o l o g y , q u a r t z ； m i c a ；n o n l i n e ；s e l f - f o c u s i n g ：d a m a g thresholdmlca；nonlinear；damage s l l o i o ； 目录 目录 第一章绪论1 第二章光学材料损伤理论的综述3 2 1 激光与光学材料相互作用的理论模型3 2 1 1 光学材料表面的激光损伤4 2 1 2 雪崩电离击穿引起的损伤5 2 1 3 自聚焦破坏6 2 2 影响光学材料损伤阈值的因素7 2 2 1 晶体的点缺陷8 2 2 2 晶体的线缺陷8 2 2 3 晶体的面缺陷9 2 2 4 实验装置系统及照射到晶体材料表面的激光束l o 2 2 5 其它因素l l 第三章晶体激光损伤的常用研究方法1 2 3 1 常用的损伤方法1 2 3 1 1 测试装置0 0 0000 00 0 0 1 2 3 1 2 常用损伤阈值的分析方法1 3 3 2 常用的检测方法1 8 3 2 1 光学材料激光损伤表面宏观检测原理1 9 3 2 2 激光损伤光学表面的微观检测原理1 9 3 2 3 光学材料损伤阈值测量不确定度的分析2 0 第四章飞秒激光器的原理及飞秒激光与晶体材料相互作用研究进展 2 3 4 1 飞秒激光器的工作原理2 3 4 2 飞秒激光对晶体材料损伤研究现状的简单介绍2 5 第五章飞秒激光对双折射晶体损伤的研究2 7 5 1 光在双折射晶体中的传播2 7 5 1 1 晶体的各向异性和介电张量2 7 5 1 2 光在晶体中的传播2 7 5 2 飞秒激光对双折射晶体损伤的理论模型2 8 5 3 实验条件和方法3 0 5 4 实验现象与析3 2 5 4 1 石英波片的损伤形貌特征3 2 5 4 2 云母波片的损伤形貌特征3 3 5 4 3 损伤机制的分析3 3 目录 5 4 4 结论3 4 参考文献3 5 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 双折射率材料是具有广泛用途的光学材料，因其具有优良的热学、光学性能和化学稳 定性，在偏光技术研究领域具有广泛的应用，可以做多种偏光器件。偏光器件可用在激光 技术、光信息处理，成像系统及其他一些科研领域中u s - 。它在激光低功率密度情况下不需 要考虑其光损伤问题，且能够满足较高精度的测试需要，然而，随着强激光的出现，特别 是超短脉冲激光的出现，对以双折射材料为原料的偏光器件的应用提出了新的挑战，对光 学材料的要求提出了更高的要求，激光对光学材料的损伤越来越不容忽视，对光学材料破 坏机理的研究也更加广泛和深入。激光对光学材料的损伤研究领域包含着强激光和物质的 相互作用的丰富的物理内容，它涉及到材料杂质缺陷、材料本身的结构等物理的、化学的、 机械的、光学的一些技术问题。目前研究较多的有以下几种破坏机理：1 材料表面抛光引 起的微小划痕、凹坑、杂质以及材料内杂质、结构缺陷造成的热破坏；2 多光子吸收电离 破坏；3 借助直流雪崩击穿概念引起的光学材料雪崩击穿破坏；4 光压造成的表面破坏； 5 受激布里渊散射激发超声波引起的破坏；6 强光非线性效应自聚焦引起的破坏等。所有 这些破坏机理都是指光学材料的单枪破坏阈值( s i n g l e s h o t d a m a g et h r e s h o l d ) ，即光学材 料在单次激光照射情况下所能承受的最大光功率密度或能量密度【9 】。无论是那种损伤都会 对偏光器件带来灾难性的破坏，致使不能发挥正常作用。因此如何消除激光高强度对光学 材料的损伤和提高光学元件的抗损伤阈值便成为一个十分重要和迫切需要解决的问题。 激光对光学材料或光学器件的损伤面积与损伤形貌特征跟激光照射到材料表面的脉 冲数目，激光对材料表面的作用时间，以及激光光斑面积的大小都有非常紧密的关系【10 1 。 针对以上情况，对激光对光学材料的破坏的研究需要全方位考虑，比如，对损伤阈值的定 义【l 、对光斑有效光斑面积的确定以及大小的准确测量【l2 。、损伤阈值测量中激光的测试口 径效应【1 3 1 、杂质离子在损伤过程中对损伤阈值的影响1 1 4 j 、晶体中所包含的缺陷对其抗光损 伤阈值的影响【l5 1 、损伤过程中光学材料的热力学效应【l6 j 、光学元件损伤阈值测量的不确定 度分析【1 刀、光的偏振态与晶体光损伤阈值的关系【1 8 】、以及光损伤阈值的测试误差分析等【1 9 1 。 解决这些问题的前提首先需要对光损伤阈值的定义，根据多次国际会议的不断讨论和 完善形成的i s o d i s l1 2 5 4 光学表面激光损伤阈值测试标准t 2 0 1 ，国家技术监督局9 6 年1 1 月颁布了相应的国标g b t 1 6 6 0 1 1 9 9 6 光学表面激光损伤阈值1 对l 的测试方法【2 ，光 学材料的光损伤阈值是指照射到光学表面的激光能量密度或功率密度的特定值，超过此值 则会产生一定概率的损伤。光学元件的激光损伤阈值一直是其技术发展的瓶颈因素，对其 光损伤阈值的研究也在不断的深入完善和发展，使定义更加准确、测试装置日趋成熟，整 个发展过程包含着国内外许多研究人员的辛勤工作和汗水，从而出现了许多针对性的研究 方法。 首先对光斑有效面积应有一个准确的测试方法，通过资料显示，中国科学院上海光机 所的杨镜新、庄亦飞提出了比较可行的方法：他们通过测试空间分布稳定的激光束的总能 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 量q 和能量密度的峰值h m 舣，获得二者与光束有效面积氏行的关系【1 1 】： 白：号：尝竺 这为测量晶体抗损伤阈值提供了一种较简便的方法，这比通过数据拟合更有说服力。 其次，要有一套准确测量阈值的实验装置，这在激光问世以来国内外研究者就不断探 索、改进。以国内研究改进较近的几种典型装置为例，就能够说明对光学材料破坏的研究 在国内始终都在进行着，这几种装置为：1 9 9 9 年马孜、吕百达和肖琦根据i s o d i s l l 2 5 4 光学表面激光损伤阈值测量标准和等价国标的要求设计的测试装置；2 0 0 6 年成都精密光学 工程研究中心的胡建平、马平和许乔利用了比较先进的装置对材料的光损伤阈值进行了测 量。这期间还有很多研究人员做的工作，这里就不再一一赘述。 本文是基于前人的基础上，用超短脉冲激光对双折射率晶体进行高重复率下的损伤测 试，通过建立数学模型，考虑晶体的微观机制和各种对晶体损伤阈值影响的可能因素，模 拟出了晶体的损伤阈值，然后通过实验验证，并对各种因素的影响进行分析，在尽量减小 测量误差的情况下，给出了晶体的损伤阈值。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第二章光学材料损伤理论的综述 2 1 激光与光学材料相互作用的理论模型 在激光出现之前，普通光辐射与物质的相互作用属于弱光作用。自从激光问世以来， 这种光与物质的相互作用的规律与弱光和物质的相互作用的规律发生了明显的差异，研究 强光与物质的相互作用就成了器件制造者共同关心的问题了，人们通过研究不断积累总结 有关强激光与物质相互作用的知识，建立了损伤阈值与激光能量密度之间的一套理论知 识。相对于普通光源，激光究竟有哪方面的优势? 下面通过表1 进行比较： 表1 激光器与普通光源输出光的比较 脍 单色性定向性定向亮度单色定向亮度光子简并度( n ) ( a v v ) ( q ) 单位：( b ) 单位：( b 7 ) 单位：瓦( 可见光波段) 光源种类 球面度瓦厘米2 球厘米2 球面度 面度赫 太阳极差 6 8 x1 0 51 0 31 0 。1 2l o - 2 ( 为白光)( 地面测) 人造光源极差2 x - 4 x 1 0 - 3 1 0 。1 2 1 0 2 ( 照明灯)面光源或体 1 0 - 4 1 0 石 光源 ( 单色灯)1 0 2 l o 。4 定 向光源 一般气体激光器l o - 6 。1 0 。1 31 0 4 l o 。8 1 0 4 1 0 81 0 2 1 0 21 0 3 1 0 1 2 一般同体激光器1 0 - 1 1 0 。81 0 - 4 1 0 81 0 7 1 0 l l1 0 1 0 31 0 1 11 0 1 3 调q 大功率激光器 i 0 - 2 1 0 71 0 6 ，1 0 81 0 1 2 1 0 1 71 0 4 1 0 71 0 1 41 0 1 7 比较上表数据可以明显看出，普通光源的在辐射亮度和光子简并度方面远远不及激光 的高。把这两种光与物质的相互作用做一比较，可以打一个比方：激光作用于物质时的破 坏相当于热核爆炸( 特别是聚焦之后的作用) ，而普通光源作用于物质时的破坏相当于普 通炸药之能力。这种严格的区别是建立在光子简并度的大小之上的瞄】。随着激光与物质作 用研究的深入发展，激光技术逐渐成为研究成果显著的一个新的学科分支。由于激光与物 质相互作用蕴藏着巨大的研究潜力，促使激光技术得到了飞速的发展。激光与光学材料的 相互作用的研究也突飞猛进的发展，在激光对材料损伤方面的研究也取得了可喜的成就。 激光对光学材料的损伤现象非常复杂，损伤形貌也大同小异，涉及知识也比较广泛，从研 究对象来看大致可以分为两类：一类是对镀膜材料的光学表面进行损伤，如各种薄膜材料 和光路中的镀膜镜片等；另一类是光学材料的体损伤和镀膜材料的基质材料的表面损伤。如 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 激光通过偏光棱镜，对偏光棱镜的损伤、放大单元的窗口、透镜以及各种晶体器件的损伤 笙【9 】 寸0 2 1 1 光学材料表面的激光损伤 激光对光学材料的损伤阈值的定义有多种说法：一：损伤阈值是指照射到光学元件表 面的激光能量密度或功率的特定值，超过此值则会产生一定概率的损伤；- - ：单次照射时 最高破坏阈值和最低不破坏阈值的平均值。对于光学材料的损伤阈值的研究又分为本征破 坏和非本征破坏。所谓本证破坏是指电子雪崩、多电子电离引起的破坏；非本征破坏指 与杂质吸收相关的破坏【2 3 之4 】。 由于材料的光学表面易于受外界污染，并且在加工过程中造成表面加工不光滑，形成 凹陷和划痕，使材料表面的分子之间的作用力减小，在进行实验时很容易造成破坏。即使 表面不受外界污染，加工过程比较精细，但是由于材料表面的分子所受力较小，容易升华， 实验时也容易造成破坏；对于镀膜材料，由于基质材料加工时的状况和外界污染，镀膜条 件和镀膜方式的不同以及膜层均匀性，都会造成损伤阈值的降低。其次，由于高斯光束能 量空间分布的不均匀性，造成局部光强很大，材料表面局部破坏，损伤阈值测量同样不准 确。 理想情况下表面破坏的实质是指，光学材料表面在激光照射下产生的热过程和电磁过 程。长脉冲下以热过程为主，主要有：材料表面熔融、升华和蒸发；短脉冲下的损伤以电 磁过程为主，主要有：原子价键断裂、材料表面形成等离子体等。当然这不是绝对的，长 脉冲中有时包括短脉冲，而短脉冲有时也包括长脉冲，因而，在损伤过程中同时会包括热 过程和电磁过程。高功率激光破坏主要是电磁力的作用。 在普通光学中我们就已经知道，光入射到两种介质的分界面处，会分为反射光和入射 光，此时照射到材料表面的光子的动量就会发生改变。有动量守恒可得材料表面所受的激 光压力，在垂直入射的情况下： e l = 半一专批沪卜) 扣叫寺卜，) 眨， 式中i r 、i i 、i ，分别为反射、入射及透射光的最大强度，c 、c n 分别为光在入射介质和反射 介质中的光速，( r ，t ) 是激光脉冲的空间和时间分布形式。 一般情况下，激光是垂直入射到材料的表面上的，如果材料的折射率为1 1 ，那么入射 面所受光压大小为： p l i - = 等考巾，) ( 2 地) 输出面所受光压大小为： 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 伽铲z 4 f ( 吖) 晓， 材料输出面和输入面所受光压之比为： 垒：t( 2 1 4 1 z ) 2 = 一 l 4j p l i ( ，2 + 1 ) 2 从( 2 1 4 ) 式可以看出，如果输出面与输入面所受光压之比，大于材料正常情况的承受压 力之比，那么材料表面就容易破坏。 光学材料表面损伤阈值比体损伤阈值较低， 主要因为表面不光滑，存在裂纹、划痕、凹槽以 及空隙等，如图2 1 所示。这些缺陷导致激光照 射材料表面时，缺陷周围应力相对集中，首先引 起材料破坏。对于镀膜材料，如果基质和膜层之 间存在空隙，这又不同程度的降低了光学材料的 抗光损伤阈值。如果最初的破坏不是电子雪崩， 而是杂质的吸收引起的，那么光学材料抗光损伤 阈值的实验测量值会再次降低。 因此，为保证损伤阈值测量的准确性，光学 材料在加工过程中要进行精密的抛光；镀膜材料 要保持非常干净的表面和膜层。 2 1 2 雪崩电离击穿引起的损伤 2 1 光学材料表面的缺陷 雪崩电离击穿也称为碰撞电离击穿，这是光学材料激光损伤最可能的破坏机制之一。 雪崩电离击穿已建立了一系列比较成熟的理论，这在不同脉宽、频率范围较大的激光诱导 损伤中都有较详细的描述，在高频激光损伤实验中，多光子电离处于主导地位。早期的雪 崩模型由y a b l o n o v i t c h 和b l o e m b e r g e n 在1 9 7 2 年从直流电子雪崩击穿概念引入的【2 5 1 。雪崩 图像就是，强电场作用在材料的表面，使表面电子被加速获得很高的能量，当能量达到一 定值时，又去电离其他电子，由于这一过程的重复性，使电子数呈指数的规律增长： 力= n oe x p la ( e ) ，i ( 2 1 5 ) 式中n 0 是初始自由电子数，q ( e ) 为单个电子在单位时间内的电离速率。从式中可以看出， 当自由电子数超过临界值，材料就发生灾变性的破坏，从而被击穿。把这一概念引入光学材 料的激光破坏中来： 厂巴，、1 刀= ，z de x p l j a e ( f ) ) 西l ( 2 1 6 ) l 6 i 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 由于激光的可变性和不均匀性，这里的e 指数采用积分形式。对于电子的吸收速率可用下 式表示： 孚：1 翌e 2 ( 2 1 7 ) i 2 而石可厶 心 式中m 是电子质量，c o 表示照射到光学材料的光频率，t 代表电子碰撞时间。一般情况下， 在长脉冲激光实验的情况下，以自由电子吸收激光能量为主。自由电子吸收能量后，以很 大的速率碰撞其他电子或离子，这样在材料表面放出更多的电子。由于这个过程的循环往 复性，造成光学材料的雪崩破坏。一般光学材料的碰撞电子增长都有一最大值，超过此值， 就会对激光能量有强烈的吸收，这时就有可能造成材料雪崩击穿，即使介质不被击穿，透 过材料的光束也发生了明显的变化。 在雪崩击穿情况下有两个问题需要搞清楚：一是初始碰撞自由电子( 种子电子) 的来 源；二是自由电子如何被加速到足够高的能量。下面简单分析一下。从( 2 1 6 ) 式可以看 出，初始自由电子浓度，是光学材料能否在激光脉冲作用时间范围内发生电子雪崩的一个 重要因素。通常情况，自由电子浓度可以由以下两种方法获得：( 1 ) 由光学材料内的结构 缺陷及其所含杂质产生。在强激光照射下，结构缺陷和杂质对激光能量有比较强的吸收， 在杂质附近产生较强的紫外辐射，结果对其他电子产生了光离化作用，从而产生出自由电 子：( 2 ) 多光子吸收电离。由于大多数光学材料都是禁带宽度在几个e v 的宽禁带介质材料， 这时由于材料内结构缺陷的存在，可使材料局部能带变窄，这种情况下多光子吸收过程就 可以产生较多数量的自由电子。当然这两种过程并不是孤立存在的，而是同时起作用的。 以上是对光学材料电子雪崩击穿的简单描述，对于具体的材料还要具体分析起本质。 2 1 3 自聚焦破坏 说到自聚焦破坏首先看一下自聚焦效应，简单的说，自聚焦效应就是强激光在非线性 介质中传播时，由于高斯光束中心光强比边缘强，使一部分光学材料的折射率中心增大量 大于边缘增大量，导致介质的作用好像一个正透镜。自聚焦效应现象的示意图用图2 2 表 示： 入射 图2 2 自聚焦效应示意 光学材料折射率的变化可用下式表示【2 6 1 ， n = n o + n 2e 2 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 或a n = 吲2 ( 2 1 8 ) 式中n 2 为非线性折射率的系数，ie ( r ) i2 为激光光强。 如果入射光束的强度在横截面内分布不均匀，相对于光束中心对称，但相对于横向半 径不均匀，那么光强就变成了半径r 的函数，则折射率的变化表示为： a n = n 2l e ( ，) r ( 2 1 9 ) 光学材料在强激光作用下引起的损伤，一般为自聚焦损伤或者为自聚焦破坏。强激光入射 到光学材料表的光功率表达式为： p ：c o n _ _ 旦o7 r 口2l 剧2( 2 1 1 0 ) 8 万 。 其损伤阈值功率的表达式为： 足：一0 6 1 2 坐 ( 2 1 1 1 ) ” 3 2 伤 不同材料的非线性折射率系数是不同的，一般的玻璃材料取值范围在1 0 - n 1 0 j 2 ，根据式 ( 2 1 1 1 ) 可计算出其相应的自聚焦阈值。 自聚焦效应造成的光学材料的破坏是一种间接效应，光束照射到光学材料上后，由于 激光束形状是高斯型的，光束中心功率密度很高，在短脉冲，特别是超短脉冲激光作用下， 其功率要比如大得多。照射到光学材料上激光场可能有极大的提高，而光学材料内部场 强一般为1 0 7 1 0 8 v e r a ，其对应的光功率密度大约为1 0 1 3 w e r a ，一旦激光束光功率密度超 过此值，光学材料将被击穿。其破坏形貌为丝状或多根细丝状破坏，这主要取决于激光脉 冲的模式。 总之，对于光学材料的激光破坏大体可分为本征破坏和非本征破坏，实际的破坏过程 要比想象的复杂，可能是一种破坏机理，也可能是两种破坏机理向联合。针对不同脉冲激 光的破坏，要用具体的理论进行分析。 2 2 影响光学材料损伤阈值的因素 我们知道光学材料的激光破坏分本征破坏和非本征破坏。光学材料的非本征破坏主要 是由于材料内部的微观缺陷吸收激光后的非线性发展过程。当材料有缺陷的区域被能量密 度较高的激光照射时，能量迅速地积淀到材料内部，导致材料的热击穿。材料的缺陷主要 有：点缺陷、线缺陷位错、面缺陷以及人工晶体中的宏观和亚微观缺陷。晶体缺陷对 晶体的一些物理性质会产生影响，在晶体损伤过程中主要对晶体的电、磁和热力学性质产 生影响。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 2 2 1 晶体的点缺陷 晶体中常见的点缺陷，主要有间隙原子、杂质原子、点阵空位以及位错等。有的晶体 中还有由于点缺陷俘获空穴或电子造成的色心。其中点缺陷首先从热缺陷谈起：因为晶体 中的热起伏而产生的点阵空位和间隙原子或离子称为热缺陷。这又分为f r e n k e l 缺陷和 s c h o t t y 缺陷。f r e n k e l 缺陷指温度高于o k 以上的a x 离子晶体，其正负离子处于不停的热 运动状态。温度升高，正负离子的动能和振幅都增大，动能和振幅破坏平衡时，极有可能 转移到晶格的间隙，造成晶体中同时产生一对离子空位和一对间隙离子，如图2 3 所示。 s c h o t t y 型缺陷指由 于温度升高导致晶 体表面的离子离开， o o o o 留下一个空位，这时 晶体内会有一个离o o o o 子来填补这个空位j 一一一 o 从而在晶体内多出 uo 。 o 一空位，如图2 4 所 o o o o 示。其次是杂质缺 代表负离子o 陷，这又分为两类： o 代表正离子 其中一类为取代杂 图2 - 3f r e n k e l 型缺陷 质原子或离子缺陷， o三三：三oo o o 。 o o q o oo 矮“o 即，人为的在晶体内掺入与晶体本身成分不同的离子，用于取代晶体中原有的离子；另一 类为间隙杂质原子或离子缺陷，这种缺陷指杂质原子或离子不是取代晶体中原有原子或离 子，而是进入晶体点阵间隙。再次是晶体内的色心，这种缺陷主要是晶体俘获一个自由电 子或一自由空穴而形成的。有些晶体由于色心的存在，在进行激光损伤时，色心对激光具 有很强的吸收作用，导致其激光性能大大恶化，其损伤阈值也大大降低。最后就是不定比 化合物的缺陷，这里就不再赘述，有关内容可参考张可从著的近代晶体物理学基础。以上 几种点缺陷的存在使晶体对照射到它上面的激光有强烈的吸收，从而使其损伤阈值降低。 2 2 2 晶体的线缺陷 线缺陷是一种常见的结构缺陷，线缺陷研究理论已经相当完善。线缺陷比较常见的是 位错，位错理论常用于解释晶体其他缺陷的形成，因而在许多方面是其他缺陷的核心。由 于位错缺陷会影响晶体的电、光、磁、热、声等物理性质，所以在激光系统中晶体的损伤 阈值会因此而降低。为了能够精确测定晶体的损伤阈值，在进行损伤实验时最好选取无位 错缺陷或位错缺