激光实验报告2

激光原理实验报告23120121152896杨晗一.两种典型腔型固体激光器元件镀膜要求444nm蓝光LD泵浦Pr:YLF，产生523nm绿光的激光器图1-1444nm泵浦Pr:YLF产生523nm激光器如图1-1，444nm蓝光经过方框内的透镜组后透过M1，泵浦Pr：YLF使其产生523nm绿光，产生的523nm绿光一部分在M1、M2构成的谐振腔中振荡，一部分透过M2输出，未被吸收的444nm蓝光则继续在腔内反射泵浦Pr：YLF。所以，输入镜M1左面应该镀上对泵浦光λ=444nm蓝光的增透膜，右面镀上对振荡波也就是输出光λ=523nm绿光的高反并且对λ=444nm蓝光的减反效果的膜；输出镜M2左面应该镀上对振荡波λ=523nm绿光具有部分反射作用，并且对λ=444nm蓝光具有高反作用的膜，右面镀上对反射进腔的振荡波长523nm绿光减反作用的膜。480nm激光器泵浦Pr:YLF，LBO倍频产生320nm紫外光激光器图2-1480nm泵浦Pr:YLF倍频产生320nm激光器如图2-1，光泵浦半导体激光器OPS产生480nm波长的激光作为泵浦光，透过M1激发晶体Pr:YLF产生640nm波长的激光，640nm波长的激光经过M2的反射通过大功率紫外倍频晶体LBO产生波长为320nm的紫外激光，这两种波长的激光在M3上反射再次通过LBO，接着320nm的紫外光透过M2输出，640nm波长的激光反射通过Pr:YLF然后经过M1反射后经过Pr:YLF被M2发射后重复以上的过程。也就是说640nm波长的激光在M1-M3之间振荡。由以上的分析我们可以知道，M1右面上镀的膜应该对480nm波长的泵浦光增透，左面对640nm波长的激光高反，对480nm波长的泵浦光减反；M2右面上镀的膜对640nm波长的光高反，对320nm波长的紫外光增透，左面对320nm波长的紫外光减反；M3左面上镀的膜要对320nm波长与640波长的激光进行高反；由于480nm波长的泵浦光在经过Pr:YLF后功率较低，因此在M2、M3上不考虑对其镀高反膜。二.激光损伤阈值LIDT调研报告1.影响LIDT的因素由于薄膜的激光损伤是激光与薄膜互相作用的结果，因此将其影响因素主要应该归结为来自薄膜的影响因素与来自激光的影响因素两个方面。光学薄膜方面，影响激光损伤阈值的因素有：薄膜的制备技术、磨料的选择、膜层的厚度、光学薄膜的基本特性以及缺陷。激光器本身的参数也会影响到激光薄膜损伤阈值的大小。激光器参数包括波长、脉宽、激光器输出的光斑大小、激光器输出能量和激光输出模式[1]。2.LIDT测量方法1）onetimeononepoint(1-on-1)方式这种方式简单来说就是在每个测试点上只辐射一次。国标(GB/T1660121996)和国际标准(ISO11254)规定的测试方法是:一台稳定的重频激光器(具有准“高斯”型或准平顶型的空间分布)发出的激光束先扩束、再经衰减器衰减后,聚焦于被测试片表面。对这种方法而言,每个测试点辐照1个脉冲,但同一个能量密度(功率密度)最少要辐照10个测试点。2）servaltimesononepoint(s-on-1)方式针对同一个测试点，在相同的激光能量下，间隔相同的时间辐照该测试点知道测试点发生损伤。3）raisedenergyononepoint(r-on-1)方式这种方法最大的特点是用递增的能量只辐照光学元件上的某一个点，直到这个被辐照点发生损伤为止。但这种方法需要在测试前估计被测元件的损伤阈值。4）n-one-1方式激光能量脉冲由小到大逐渐增加，直到增加到产生损伤阈值，在这个过程中，激光束以相同的时间多次辐照在元件的同一个点上[1][2]。3.如何提高LIDT1)激光预处理以低于薄膜损伤阈值的激光辐照光学薄膜可使其损伤阈值提高，称之为“激光预处理”。早在80年代研究发现通过基频激光预处理提高薄膜损伤阈值的效果非常明显。Arenberg等人研究得出，1064nm波长上的激光预处理使薄膜损伤阈值提高40%，但波长到了532nm，薄膜损伤阈值没有明显影响[3]。90年代初期美国LLNL实验室HfO2/SiO2,ZrO2/SiO2,TiO2/SiO2高反膜的激光预处理中发现，经1064nm激光预处理后高反膜的损伤阈值都提高一倍以上，其中HfO2/SiO2高反膜损伤阈值提高最大。但是到了355nm高反膜经激光预处理后，损伤阈值没有明显提高。在激光预处理的研究中，对基频激光预处理的报道很多，而且预处理提高薄膜损伤阈值的效果都很明显。2)加镀保护膜层在薄膜表面上加镀一层λ/2整数倍的低折射率SiO2薄膜既不影响膜层的反射率，也不影响膜层的电场分布[4]，而且可以有效地提高薄膜的抗损伤能力。这可能是由于保护膜层的存在改善了薄膜的表面形态，减少了由表面缺陷所引起的损伤。同时SiO2本身具有低吸收和高的抗激光能力，使损伤不易发生，并且它的存在使得膜层内的杂质在相同能量激光辐照下更难于冲出膜层表面形成损伤。前人的研究结果也证实，1064nm和248nm的高反射薄膜加镀保护层确实可以提高损伤阈值[5]。3)缓冲层与保护膜层不同，缓冲层是加在基底和要镀的膜层之间，其作用类似过渡层。合适的缓冲层可以提高膜层的激光损伤阈值。谭天亚等研究在LBO晶体上做基频和二倍频增透膜，采用SiO2、MgF2作为缓冲层。对比没有加缓冲层的增透膜，发现基底与膜系之间缓冲层的插入没有影响整个薄膜器件的光学性质。在LBO晶体上预镀SiO2或MgF2缓冲层改善了薄膜的抗激光损伤性能，与没有缓冲层的膜系相比，激光损伤阈值分别提高了23.1%和25.8%。4)驻波场、温度场设计高功率激光与光学薄膜相互作用时，不仅反射光束之间发生干涉，反射光与入射光相遇时也要发生干涉。这种反射光与入射光干涉的结果是在薄膜内部形成驻波场。在薄膜内的不同区域，驻波场的强度存在很大的差别，不同膜系薄膜的驻波场分布也是千差万别。修正光学薄膜驻波场的主要目的是：一是优化薄膜内驻波场分布，使驻波场强的最大值远离薄膜吸收系数最大的区域；二是改变膜系结构，降低驻波场的峰值。1985年C.K.Carniglia报道355nmSc2O3/SiO2高反膜通过加MgF2来修正驻波场，使高反膜的损伤阈值平均提高40%。O.Arnon等证实可以通过改进薄膜内的驻波场，降低薄膜损耗，提高薄膜损伤阈值[6]。范正修认为光学薄膜中驻波场的研究，可以直观地解释薄膜内局部场强损耗的特性。通过优化设计，可使得局部损耗降低到可以容许的范围。但是，对于高功率激光薄膜，最终导致薄膜损伤或失效的是其局部升温，这就必须考虑薄膜内部的温度场分布[7]。于是在薄膜光学设计以及驻波场设计的基础上，范正修提出了薄膜温度场设计思想[7]【8】【9】。他认为薄膜内的温度场分布，是由以下三个关联的过程形成的：薄膜光吸收引起激光的能量沉积；光能转化为热能引起温度升高；热传导过程形成薄膜内的温度场。该理论的关键是以薄膜中的局部温度作为评价标准来调整薄膜的厚度、折射率、消光系数以及导热系数等参数，从而达到特定的设计要求。通过二维温度场计算，优化薄膜各项参数，使膜层内的温度场相对于各膜层的温度对抗能力达到一种合理的分布，降低温度场的峰值，从而提高薄膜损伤阈值。通常在保证光学性能的同时，修正后峰值温度场至少降低50％。5)离子后处理离子后处理已经广泛应用于多种材料的表面改性，是采用特定的能量离子轰击材料表面，从而使表面性质得到改善[10]。这主要是由于材料所展现的多种表面物理和化学性质在很大程度上取决于表面层的性质。如果离子束轰击能有效地改变表面层的性质，那么材料表面就会表现出改性的效果，而且在表面层以下仍然保持原有材料的性质。[11]参考文献[1]王鸿，激光薄膜损伤阈值测试控制系统研究.西安工业大学；[2]朱耀南，光学薄膜激光损伤阈值测试方法的介绍.激光技术.2006,30(5):532-535.[3]ARENBERGJW,FRINKME.Ontheroleofwaterinthelaserconditioningeffect[J].NIST(USA),SpecialPublication,1989,801:430-439.[4]PHILIPB.Dependenceofthereflectanceofamultilayerreflectoronthethicknessoftheouterlayer[J].AppliedOptics,1999,38(28):6034-6035.[5]STOLZCJ,TAYLORJR.Damagethresholdstudyofionbeamsputteredcoatingsforavisiblehigh-repetitionlaseratLLNL[C]//Proc.SPIE.1993,1848:182-191.[6]ARNONO,BAUMEISTERP.Electricfielddistributionandthereductionoflaserdamageinmultilayers[J].AppliedOptics,1980,19(11):1853-1855.[7]范正修,汤雪飞.光学薄膜的温度场设计[J].光学学报,1995,15(4):463-467.[8]FANZX,ZHAOQ,WUZL.Temperaturefielddesigninopticalthinfilms[J].Proc.SPIE,1997,2966:362-370.[9]赵强,范正修,