激光参数对KDP晶体损伤的影响

1、激光参数对KDP晶体损伤的影响综述摘要：本文总结近年来对KDP晶体激光诱导损伤的研究，探讨不同的激光参数对KDP晶体损伤密度、形态的影响。关键词：激光，能量，波长，脉冲宽度，KDP晶体一、 引言 磷酸二氢钾（KDP）晶体和磷酸二氘钾（DKDP）晶体是惯性约束核聚变（ICF）高功率激光器中用于电光开关以及激光倍频和三倍频的光学材料1。这些材料中的激光诱导损伤会散射光线以及增加光束对比度，这反过来又会使下游光学元件损伤的可能性增加8。为避免激光诱导损伤限制了系统的设计和性能。对于高功率激光器来说,虽然光学元件的发展和使用过程中遇到许多技术和科学上的挑战,但是最关键和最重要的挑战或许是如何尽可能的减

2、少和消除强激光辐照所导致的元件损伤,这也是目前制约大型激光系统向更高更强发展的最大瓶颈。强激光作用下的光学元件损伤是一个复杂的物理、化学过程，取决于激光参数、材料性质和使用环境参数。本文主要探讨不同的激光参数会对KDP晶体的损伤产生怎样的影响。二、激光参数对损伤的影响1.激光能量和激光功率对损伤的影响对大型长脉冲和连续激光系统，每秒钟辐照到作用区域单位面积上的能量达到上千焦耳。由于作用时间长，损伤主要以加热后的融化和气化为主。对于短脉冲激光(脉冲宽度在飞秒至纳秒范围)，其峰值功率非常高，多光子电离和雪崩电离是主要的损伤机制。高功率激光对光学元件的损伤。起因往往都是高吸收和电场强度导致的非线性效

3、应,如非线性吸收、非线性折射率、自聚焦效应、受激布里渊散射等，多光子电离和电子雪崩电离往往也都与非线性效应有关。在实际的强激光损伤过程中，高能量引起的热效应和高功率引起的场效应两者往往相辅相成，共同促进。在纳秒脉冲激光辐照光学材料时，对应于不同的激光功率密度杂质和缺陷吸收和积累能量的不同，光学材料的结构损伤有不同的表现:当P<106W/cm2，主要是强吸收杂质加热融化，一般情况下元件无明显损伤；P106W/cm2，杂质开始气化，气化蒸汽压使埋藏较浅的杂质冲破表面束缚，形成微坑，蒸汽对入射激光吸收不大，其通过折射率的非均匀造成入射激光的波前畸变；当107 <P < 108W/c

4、m2，蒸汽部分电离，产生等离子体，等离子体中的自由电子提高了对激光束能量的吸收效率；材料表面附近的环境气体将被击穿，等离子体击穿效应以超声速向激光入射方向传输，同时等离子体的屏蔽效应也将阻止激光能量向材料中进一步沉积；P>1091010W/cm2，等离子体被加热到足够高的温度，将再一次变得透明，激光又将穿过等离子体进入固体表面，将发生烧蚀现象并在材料内产生冲击波；当P>1012W/cm2，光学材料将直接吸收激光,强电场将使组成材料的原子的内层电子参与相互作用，各类非线性效应加剧；当P>1015W/cm2，组成材料的原子的原子核将参与相互作用，并有望释放出核能2。David A

5、. Cross and Christopher W. Carr 发现，KDP晶体对于1高斯形激光的损伤部位直径随着激光能量呈近似的线性增长3，如图1所示。这种表现与2和3高斯形激光所造成损伤的表现类似45。图1：KDP晶体在1高斯形激光辐照下的损伤半径2.激光波长对损伤的影响材料对激光的吸收有波长选择性,大多数光学材料的激光损伤阈值随波长减小而下降,即波长短的激光更易对光学元件造成损伤。这种损伤的波长效应可以有以下两种解释:1)对于光学材料,由于材料本身并不具有足够的自由电子或导带电子,在低功率密度下材料的本征吸收很弱,而短波长激光容易通过多光子产生种子电子,以便产生有效的雪崩电离而导致材料击

6、穿;2)等离子体对长波长激光有更强的吸收,等离子体屏蔽效应对长波长激光更明显;而短波长激光更易穿过等离子体直接作用于材料表面,增加与材料的耦合,这也是ICF打靶选择紫外激光的原因。图2为KDP晶体在不同波长激光辐照下损伤密度分布图6。从中我们可以看出，更短的激光更易对KDP晶体造成损伤。图2：KDP晶体在不同波长激光辐照下损伤密度 此外，激光波长的不同还会对KDP晶体损伤的形态产生影响。图3和图4分别为KDP晶体在1064nm和355nm激光辐照下的损伤部位。图3：(a) Bulk damage site in KDP crystal initiated with1064nm laser de

7、tected by optical microscopy; a clearer illustration of (b) the core and (c) the crack observed by SEM.图4：(a) Bulk damage sites in KDP crystal initiatedwith 355nm laser detected by optical microscopy; (b) a clearer illustration of the core observed by SEM. 从中可以看出，355nm激光产生的空腔远小于1064nm激光所产生的；同时355nm激

8、光产生的损伤很少有裂缝。两种不同的波长对损伤的形态有较大的影响。产生这种现象的机制胡国行等人进行了详细的讨论7。3.脉冲宽度对损伤的影响2相同脉冲能量下,脉冲宽度越短,激光功率越高,场效应对材料损伤越明显。实验结果表明,光学材料的激光损伤阈值随着脉宽增大而降低,这是因为随着脉冲宽度的变化,激光对光学材料产生损伤的主要机制发生变化,当脉宽小于10ps时,多光子电离是主要的损伤机制;纳秒脉冲宽度下,主要以雪崩电离为主;对于更长的脉冲,脉冲前沿产生的等离子体对后续部分的强烈吸收是引起激光损伤的主要原因。此外，激光的其它参数，如脉冲波形，偏振方向，辐照方向等也会对KDP晶体的损伤产生影响9。三、总结

9、本文总结近年来一些关于KDP晶体激光诱导损伤的研究，从激光的能量，波长以及脉冲宽度三个方面，阐述了激光参数对KDP晶体激光诱导损伤的影响。对预测KDP晶体的损伤形态，理解损伤过程有一定指导意义。同时，这些总结尚不全面，有待进一步研究和探讨。参考文献1 Rainer F , DeMarco F P, et al, A Historical Perspective on Fifteen Years of Laser Damage Thresholds at LLNLJ.SPIE,1994,2114:9.2邱荣，强激光诱导光学元件损伤的研究，2012.3 David A. Cross and Chr

10、istopher W. Carr, Analysis of 1 bulk laser damage in KDP.APPLIED OPTICS 2011.4 A. K. Burnham, M. Runkel , M. D. Feit , A. M. Rubenchik, R. L.Floyd, T. A. Land, W. J. Siekhaus, and R. A. Hawley-Fedder, Laser-induced damage in deuterated potassium dihydrogen phosphate, Appl. Opt. 42, 54835495 (2003).5

11、 J. J. Adams, J. R. Bruere, M. Bolourchi, C. W. Carr, M. D. Feit,R. P. Hackel, D. E. Hahn, J. A. Jarboe, L. A. Lane, R. L. Luthi,J. N. McElroy, A. M. Rubenchik, J. R. Stanley, W. D. Sell,J. L. Vickers, T. L. Weiland, and D. A. Willard, “Wavelength and pulse length dependence of laser conditioning an

12、d bulk damage in doubler-cut KH2PO4,” Proc. SPIE 5991, 59911R(2006).6 S. Reyne et al, Multi-wavelength study of nanosecond laser-induced bulk damagemorphology in KDP crystals, Appl. Phys. A (2015)7胡国行，Wavelength Dependence of Laser-Induced Bulk Damage Morphology in KDPCrystal: Determination of the Damage Formation Mechanism，CHIN. PHYS. LETT，（2011）.8 C. W. Carr et al, A Summary of Recent Damage-Initiation Experiments on KDP Cry