CN109814182A - 一种提高高功率激光系统传输管道内壁抗杂散光损伤阈值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高高功率激光系统传输管道内壁抗杂散光损伤阈值的方法，属于激光光学技术领域，其方法是在所述高功率激光系统传输管道内壁设置涂层，所述涂层为抗激光损伤阈值高于金属表面4倍‑10倍的透明硅氟橡胶；通过本发明的方法，可以使得入射至金属表面的激光能量密度降低4倍‑10倍，从而实现高功率激光系统传输管道内壁抗杂散光损伤阈值的提高。
Description
技术领域
本发明涉及激光光学技术领域，尤其涉及一种提高高功率激光系统传输管道内壁抗杂散光损伤阈值的方法。
背景技术
在较为复杂的高功率激光光学系统中,透射使用的光学元件一般均镀有减反膜，但单面仍有约0.2％的剩余反射率，主激光在光学元件表面的多次反射将产生大量的杂散光(如图1所示)。杂散光根据其能量密度的不同，对高功率激光光学系统的危害情况不同，需要设计不同的杂散光控制措施予以控制。
高功率激光系统中的杂散光一般可以分为“会聚型”和“发散型”两类。“会聚型”杂散光的焦点被称为“鬼像”，由于低阶鬼像的能量密度较高，一般需要设计专门的吸收体加以吸收。高功率激光系统中还存在着大量的“发散型”杂散光，其产生机理如图2所示。“发散型”的杂散光由于涉及面积较大，无法单独设计专门的吸收体用于吸收，主要依靠提高材料表面的抗激光损伤阈值，降低杂散光造成材料表面损伤后释放颗粒污染光学元件的可能性，从而控制杂散光对光学元件的间接破坏。
高功率激光系统传输管道材料一般采用铝合金，即使通过特殊的表面处理工艺，铝合金材料表面的抗1053nm波长激光损伤阈值很难超过0.5J/cm2，351nm波长的激光损伤阈值很难超过0.1J/cm2，因此如何提高表面抗激光损伤阈值是长期困扰高功率激光系统设计和研制的问题之一。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种提高高功率激光系统传输管道内壁抗杂散光损伤阈值的方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种提高高功率激光系统传输管道内壁抗杂散光损伤阈值的方法，在所述高功率激光系统传输管道内壁设置涂层，所述涂层为抗激光损伤阈值高于金属表面4倍-10倍的透明硅氟橡胶。
作为优选的技术方案：所述透明硅氟橡胶以液态进行涂覆，涂覆后升温固化为透明的固态。这种方法可以提高涂层均匀度，也更易操作。
作为优选的技术方案：所述涂层的厚度为0.5-1.5mm
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过本发明的方法，可以使得入射至金属表面的激光能量密度降低4倍-10倍，从而实现高功率激光系统传输管道内壁抗杂散光损伤阈值的提高。
附图说明
图1为光学元件表面产生多阶杂散光示意图；
图2为高功率激光系统光学系统产生大量“发散型”杂散光示意图；
图3为传输管道内壁涂装硅氟橡胶涂层示意图；
图中：1、管道；2、涂层；
图4为传输管道内壁涂装硅氟橡胶涂层后界面示意图；
图5为硅氟橡胶涂层透射率随入射角变化情况。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
本申请的发明人根据“发散型”杂散光入射至管道内壁入射角较大的特点，依据菲尼尔反射原理，在铝合金材质的传输管道内壁涂装一种有较高抗激光损伤阈值的透明硅氟橡胶材料，结构如图3所示，即在管道1内壁涂覆硅氟橡胶材料涂层2；
本发明的硅氟橡胶材料，由湖北工业大学陈绪煌教授团队使用环状的含氢氟硅油和乙烯基环体在Pt催化剂作用下，采用“液面悬浮法”和“阶梯升温法”制备，参考已公开发表的硕士论文：吕志勇，《高透紫外硅橡胶的制备与增强研究》，2016年，导师：陈绪煌；
本发明的发明人发现该硅氟橡胶材料在1053nm波长和351nm波长均表现出高透特性，且适用于金属表面涂装。
涂装时硅氟橡胶材料为液态，涂装后通过升温固化为透明的固态，在管道内壁形成一层光学反射层，有效降低入射至铝合金材料表面的杂散光能量密度，同时防止铝合金材料表面受杂散光辐照后产生“喷溅”的现象。
由于高功率激光系统传输管道内杂散光波长主要为1053nm和351nm，我们依据GB/T 16601-1996《光学表面激光损伤阈值测试方法第1部分:1对1测试》，对该透明硅氟橡胶涂层开展了中口径激光损伤阈值测试，两种波长的损伤阈值如下：
a)351nm：≥1.2J/cm2@3ns；
b)1053nm：≥2J/cm2@5ns。
与经表面处理金属表面相比，高4倍-10倍。
涂装硅氟橡胶后管道内壁界面示意图如下图4所示。入射至涂层的激光入射角为θ1，透射进入涂层内部的透射角为θ2，管道内部一般为空气或真空，折射率约为n1＝1，硅氟橡胶涂层材料折射率在1053nm和351nm波长条件下相差不大，约为n2＝1.43。
依据菲尼尔公式，对于水平偏振和垂直偏振的激光透射波分量公式分别为：
根据折射公式可知：
因此：
因此垂直偏振和水平偏振激光透射率与入射至界面的入射角的定量表达关系为：
当入射角θ1∈[0°，90°]时，垂直偏振和水平偏振激光的透射率变化情况如下图5所示。
由于杂散光偏振态组成比较复杂，其透射率可以认为在处于垂直偏振和水平偏振之间。根据图5所示，对于351nm激光，入射角大于88°时，透射率小于10％，使用本方法可完全防护≤1J/cm2@3ns的杂散光；对于1053nm激光，入射角大于85°时，透射率小于25％，使用本方法可完全防护≤2J/cm2@5ns的杂散光；在其他入射角条件下，可一定倍率降低入射至金属表面的杂散光光能量密度，从而提高高功率激光系统传输管道内壁抗杂散光损伤阈值：
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种提高高功率激光系统传输管道内壁抗杂散光损伤阈值的方法，其特征在于：在所述高功率激光系统传输管道内壁设置涂层，所述涂层为抗激光损伤阈值高于金属表面4倍-10倍的透明硅氟橡胶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述透明硅氟橡胶以液态进行涂覆，涂覆后升温固化为透明的固态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述涂层的厚度为0.5mm-1.5mm。
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