CN112355488B - 一种抗激光损伤的软边光阑制备方法 - Google Patents

一种抗激光损伤的软边光阑制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗激光损伤的软边光阑制备方法，按照以下步骤进行：S1：调试聚焦CO2激光脉冲的功率和脉宽，利用聚焦CO2激光脉冲辐照熔石英表面，形成无裂纹的烧蚀凹坑点；S2：利用光弹法检测烧蚀凹坑点的残余应力是否为0；S3：利用凹坑点排列密度调控光的透射率，使软边光阑边缘CO2激光相爆炸烧蚀凹坑点的密度朝着靠近软边光阑边缘的方向逐渐增加。采用以上技术方案，制备的软边光阑激光损伤阈值高且经济高效，克服了超短激光脉冲制备软边光阑成本高昂的问题，解决了CO2激光制备软边光阑的热应力问题，不仅可以制备传统的圆孔、方孔和矩形孔软边光阑，并且可以灵活方便地制备圆环、方形环以及中心透射率调制的软边光阑等。

Description

一种抗激光损伤的软边光阑制备方法
技术领域
本发明涉及光学元件制备技术领域，具体涉及一种抗激光损伤的软边光阑制备方法。
背景技术
软边光阑广泛应用于激光光束整形，其典型特征是边缘透射率为渐变，能够有效抑制传统硬边光阑的边缘衍射调制效应，保证激光束在一定的传播距离内的均匀性。在多级放大系统的强激光装置中，普遍采用软边光阑获取超高斯平顶光束，均匀辐照放大器的整个有效口径，实现充分利用放大器储能，另外还用于进行级间口径匹配。目前，主要在多级放大系统的强激光装置通量较低的前端使用具有软边光阑功能的器件进行光束整形，采用的实现光阑边缘软化的器件有：曝光技术制作的光敏胶片或玻璃软边光阑、结合光刻和镀膜技术制作的金属锯齿软边光阑、液晶光阀空间光调制器、结合光刻和镀膜技术制作的金属像素点光束整形器、边缘磨砂玻璃窗口、纳秒激光内雕星状散射点制作的玻璃软边光阑、超短激光刻蚀圆点的增透膜窗口等。
然而，目前的制作软边光阑的方法有很大的局限性，光敏材料曝光制作的软边光阑损伤阈值大多局限在数十mJ/cm2；镀金属膜光刻技术制作的以金属反射为基础的金属锯齿光阑，其损伤阈值只能达到0.16J/cm2(刘天宇.软边光阑在高功率固体激光器中应用的工程化研究[D].南京理工大学，2014第55页)；液晶光阀空间光调制器可以实现激光束分布灵活调控，但是由于其组成材料的因素，不适合强光束整形；CO2激光制作玻璃软边光阑由于热效应非常严重，存在炸裂的风险(刘天宇.软边光阑在高功率固体激光器中应用的工程化研究[D].南京理工大学，2014第59页)；纳秒激光内雕星状散射点制作的玻璃软边光阑其体内大量的星状激光损伤点产生机械应力导致应力双折射现象，可能改变光束的偏振状态(Vinogradsky et al.Soft diaphragms for apodization of powerful laser beams,Proc.SPIE 2000,3889:849-860.)；飞秒激光烧蚀圆点制作的整形切趾元件可承受的工作通量达0.39J/cm2，但是，非常费时，制作成本非常高昂(Rambo et al.Development ofhigh damage threshold laser-machined apodizers and gain filters for laserapplications,High Power Laser Sci.Eng.2016,4:e32)。
申请号为200410018160.5的中国发明专利公开了一种激光直接刻蚀制作软边光阑的方法，采用1.06μm的光纤激光器，通过振镜扫描在金属薄板材料或非金属薄板材料直接刻蚀制作软边光阑，但是该方法在金属薄板材料或非金属薄板材料上制作的软边光阑并不适用于高通量激光光路(刘天宇.软边光阑在高功率固体激光器中应用的工程化研究[D].南京理工大学，2014第55页和59页)。
针对软边光阑高通量运行的工程应用趋势，迫切需要开发经济高效制备抗激光损伤软边光阑技术，然而，目前的软边光阑制备技术现状是：经济高效的方法制备的软边光阑普遍存在抗激光损伤性能低的问题，而超短激光脉冲技术制备的较抗激光损伤的软边光阑制作成本高昂且费时。因此，现有的软边光阑制作方法尚不具备经济高效地制备高抗激光损伤的软边光阑的能力，因此，必须突破现有制备技术的束缚，进行制备技术创新，探索出一种经济高效地制备高抗激光损伤的软边光阑的方法。
发明内容
为解决现有软边光阑制备方法不能经济高效地制备高抗激光损伤的软边光阑的技术问题，本发明提供了一种抗激光损伤的软边光阑制备方法。
其技术方案如下：
一种抗激光损伤的软边光阑制备方法，其要点在于，按照以下步骤进行：
S1：调试聚焦CO2激光脉冲的功率和脉宽，利用聚焦CO2激光脉冲辐照熔石英表面，使熔石英强烈吸收CO2激光能量快速加热产生相爆炸烧蚀，形成无裂纹的烧蚀凹坑点；
S2：利用光弹法检测烧蚀凹坑点的残余应力是否为0：否，返回步骤S1，是进入下一步骤；
S3：利用凹坑点排列密度调控光的透射率，使软边光阑边缘CO2激光相爆炸烧蚀凹坑点的密度朝着靠近软边光阑边缘的方向逐渐增加。
采用以上方法，首先确定聚焦CO2激光脉冲所需达到的功率和脉宽，形成残余应力极其微弱(利用光弹法无法检出)的烧蚀凹坑点，这种烧蚀凹坑点能够强烈散射入射光，然后通过改变CO2激光相爆炸烧蚀凹坑点的分布，不仅可以制备传统的圆孔、方孔和矩形孔软边光阑，并且可以灵活方便地制备圆环、方形环以及中心透射率调制的软边光阑等，而且制备的软边光阑在1064nm波长11ns脉宽激光辐照下损伤阈值可达10J/cm2以上，具有高抗激光损伤的性能，同时制备的软边光阑的方法经济高效，克服了超短激光脉冲制备软边光阑成本高昂的问题，解决了CO2激光制备软边光阑的热应力问题。
作为优选：步骤S1中，所述聚焦CO2激光脉冲的功率密度大于1.5×106W/cm2，脉宽为4μs。采用以上方法，确定了聚焦CO2激光脉冲的功率密度范围和脉宽，保证烧蚀凹坑点的残余应力极其微弱，利用光弹法无法检出。
作为优选：步骤S1中，利用声光调制器对射频激励CO2激光器发出的激光脉冲波形的峰值进行裁剪，获得脉宽为4μs的CO2激光脉冲，再采用扩束聚焦系统对CO2激光脉冲进行聚焦，获得功率密度大于1.5×106W/cm2、脉宽为4μs的聚焦CO2激光脉冲。采用以上方法，简单可靠，易于获取，经济高效。
作为优选：步骤S3中，采用二维扫描振镜或二维平移台制备软边光阑。采用以上方法，能够灵活高效地制备圆孔、方孔、矩形孔、圆环、方形环以及中心透射率调制的软边光阑等。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的一种抗激光损伤的软边光阑制备方法，思路新颖，易于实现，制备的软边光阑激光损伤阈值高且经济高效，克服了超短激光脉冲制备软边光阑成本高昂的问题，解决了CO2激光制备软边光阑的热应力问题；该方法制备的软边光阑在1064nm波长11ns脉宽激光辐照下损伤阈值可达10J/cm2以上，不仅可以制备传统的圆孔、方孔和矩形孔软边光阑，并且可以灵活方便地制备圆环、方形环以及中心透射率调制的软边光阑等。
附图说明
图1为熔石英表面相爆炸烧蚀凹坑点的显微图(俯视图)；
图2为熔石英表面相爆炸烧蚀凹坑点的显微图(侧视图)；
图3为光弹法测量的熔石英表面相爆炸烧蚀凹坑点残余应力分布图像(俯视图)；
图4为光弹法测量的熔石英表面传统烧蚀点残余应力分布暗场图像(俯视图)；
图5为光弹法测量的熔石英表面相爆炸烧蚀凹坑点残余应力分布图像(侧视图)；
图6为光弹法测量的熔石英表面传统烧蚀点残余应力分布图像(侧视图)；
图7为熔石英方孔软边光阑暗场图像；
图8为光斑品质分析仪测量的通过熔石英方孔软边光阑后激光光斑分布图；
图9为中心透射率调制的熔石英圆孔软边光阑暗场图像；
图10为光斑品质分析仪测量的通过中心透射率调制的熔石英圆孔后激光光斑分布图；
图11为熔石英矩形孔软边光阑暗场图像；
图12为光斑品质分析仪测量的通过熔石英矩形孔软边光阑后激光光斑分布图；
图13为熔石英方形环软边光阑暗场图像；
图14为光斑品质分析仪测量的通过熔石英方形环软边光阑后激光光斑分布图；
图15为熔石英圆环软边光阑暗场图像；
图16为光斑品质分析仪测量的通过熔石英圆环软边光阑后激光光斑分布图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
一种抗激光损伤的软边光阑制备方法，按照以下步骤进行：
S1：调试聚焦CO2激光脉冲的功率和脉宽，使聚焦CO2激光脉冲的峰值功率600W、脉宽4μs、光斑1/e2直径220μm，辐照熔石英表面，熔石英强烈吸收CO2激光能量快速加热产生相爆炸烧蚀，形成无裂纹的烧蚀凹坑点。请参见图1和图2，从烧蚀凹坑点的显微图上可以观察到明显的相爆炸液体溅起形成的不规则表面，直径120μm深度5μm。
S2：利用光弹法检测烧蚀凹坑点的残余应力。
图4和图6为光弹法测量的熔石英表面传统烧蚀点残余应力分布暗场图像，而图3和图5则为光弹法测量的采用本发明步骤S1方法形成的烧蚀凹坑点残余应力分布暗场图像，对比可知，利用光弹法在仪器的精度内测不出采用本发明步骤S1方法形成的烧蚀凹坑点残余应力。
S3：孔径10mm×10mm的方孔软边光阑边缘的烧蚀凹坑点密度朝着远离边缘的方向逐渐增大(即越靠近软边光阑边缘，烧蚀凹坑点密度越大，越远离软边光阑边缘，烧蚀凹坑点密度越小)，烧蚀凹坑点密度分布规律为10阶超高斯分布，并采用扫描振镜制作边缘烧蚀凹坑点，每个烧蚀凹坑点按照步骤S1方法制作，制作的方孔软边光阑暗场图如图7所示。
S4：采用光斑品质分析仪测试制作的10mm×10mm的方孔软边光阑的整形效果，He-Ne激光扩束为直径25mm的光束后通过制作的方孔软边光阑，再利用焦距分别为500mm和50mm的凸透镜进行缩束，同时使用小孔进行滤波，光斑品质分析仪测量的光斑分布如图8所示，光斑为平顶方形分布。
S5：经激光损伤阈值实验测试，采用以上步骤制备的孔径10mm×10mm的方孔软边光阑在1064nm波长、11ns脉宽的激光辐照下损伤阈值为(12±2)J/cm2，并且光弹法测不出该方孔熔石英软边光阑的热残余应力。
实施例2
本实施例中，步骤S1和步骤S2与实施例1相同，其区别在于：
S3：孔径10mm的圆孔软边光阑边缘的烧蚀凹坑点密度朝着远离边缘的方向逐渐增大(即越靠近软边光阑边缘，烧蚀凹坑点密度越大，越远离软边光阑边缘，烧蚀凹坑点密度越小)，烧蚀凹坑点密度分布规律为10阶超高斯分布，且该圆孔软边光阑孔径中心烧蚀凹坑点密度从中心的50％占空比沿直径高斯分布，并采用扫描振镜制作边缘烧蚀凹坑点，每个烧蚀凹坑点按照步骤S1方法制作，制作的中心透射率调制的圆孔软边光阑暗场图如图9所示。
S4：采用光斑品质分析仪测试制作的中心透射率调制的圆孔软边光阑的整形效果，He-Ne激光扩束为直径25mm的光束通过制作的中心透射率调制的圆孔软边光阑，再利用焦距分别为500mm和50mm的凸透镜进行缩束，同时使用小孔进行滤波，光斑品质分析仪测量的光斑分布如图10所示，光斑强度为中心弱边缘强的圆形分布。
S5：经激光损伤阈值实验测试，采用以上步骤制备的中心透射率调制的圆孔软边光阑在1064nm波长、11ns脉宽的激光辐照下损伤阈值为(13±2)J/cm2，并且光弹法测不出该圆孔熔石英软边光阑的热残余应力。
实施例3
本实施例中，步骤S1和步骤S2与实施例1相同，其区别在于：
S3：长10mm、宽2mm的矩形孔软边光阑边缘的烧蚀凹坑点密度朝着远离边缘的方向逐渐增大(即越靠近软边光阑边缘，烧蚀凹坑点密度越大，越远离软边光阑边缘，烧蚀凹坑点密度越小)，长度方向边缘分布规律为10阶超高斯分布，宽度方向边缘分布规律为2阶超高斯分布，并采用扫描振镜制作边缘烧蚀凹坑点，每个烧蚀凹坑点按照步骤S1方法制作，制作的矩形孔软边光阑暗场图如图11所示。
S4：采用光斑品质分析仪测试制作的矩形孔软边光阑的整形效果，He-Ne激光扩束为直径25mm的光束通过制作的矩形孔软边光阑，再利用焦距分别为500mm和50mm的凸透镜进行缩束，同时使用小孔进行滤波，光斑品质分析仪测量的光斑分布如图12所示，光斑为长条矩形分布。
S5：经激光损伤阈值实验测试，采用以上步骤制备的矩形孔软边光阑在1064nm波长、11ns脉宽的激光辐照下损伤阈值为(13±2)J/cm2，并且光弹法测不出该矩形孔熔石英软边光阑的热残余应力。
实施例4
本实施例中，步骤S1和步骤S2与实施例1相同，其区别在于：
S3：外方形边长10mm、内方形边长6.6mm的方形环软边光阑边缘的烧蚀凹坑点密度朝着远离边缘的方向逐渐增大(即越靠近软边光阑边缘，烧蚀凹坑点密度越大，越远离软边光阑边缘，烧蚀凹坑点密度越小)，边长10mm的外方形边缘为10阶超高斯分布，边长6.6mm的内方形边缘为7阶超高斯分布，并采用扫描振镜制作边缘烧蚀凹坑点，每个烧蚀凹坑点按照步骤S1方法制作，制作的方形环软边光阑暗场图如图13所示。
S4：采用光斑品质分析仪测试制作的方形环软边光阑的整形效果，He-Ne激光扩束为直径25mm的光束通过制作的方形环软边光阑，再利用焦距分别为500mm和50mm的凸透镜进行缩束，同时使用小孔进行滤波，光斑品质分析仪测量的光斑分布如图14所示，光斑为方形环分布。
S5：经激光损伤阈值实验测试，采用以上步骤制备的方形环软边光阑在1064nm波长、11ns脉宽的激光辐照下损伤阈值为(14±2)J/cm2，并且光弹法测不出该方形环熔石英软边光阑的热残余应力。
实施例5
本实施例中，步骤S1和步骤S2与实施例1相同，其区别在于：
S3：外圆直径10mm、内圆直径6.6mm的圆环软边光阑边缘的烧蚀凹坑点密度朝着远离边缘的方向逐渐增大(即越靠近软边光阑边缘，烧蚀凹坑点密度越大，越远离软边光阑边缘，烧蚀凹坑点密度越小)，直径10mm外圆的边缘为10阶超高斯分布，直径6.6mm内圆的边缘为7阶超高斯分布，并采用扫描振镜制作边缘烧蚀凹坑点，每个烧蚀凹坑点按照步骤S1方法制作，制作的圆环软边光阑暗场图如图15所示。
S4：采用光斑品质分析仪测试制作的圆环软边光阑的整形效果，He-Ne激光扩束为直径25mm的光束通过制作的圆环软边光阑，再利用焦距分别为500mm和50mm的凸透镜进行缩束，同时使用小孔进行滤波，光斑品质分析仪测量的光斑分布如图16所示，光斑为平顶圆环分布。
S5：经激光损伤阈值实验测试，采用以上步骤制备的圆环软边光阑在1064nm波长、11ns脉宽的激光辐照下损伤阈值为(14±2)J/cm2，并且光弹法测不出该圆环熔石英软边光阑的热残余应力。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抗激光损伤的软边光阑制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
S1：调试聚焦CO2激光脉冲的功率和脉宽，利用聚焦CO2激光脉冲辐照熔石英表面，使熔石英强烈吸收CO2激光能量快速加热产生相爆炸烧蚀，形成无裂纹的烧蚀凹坑点；
S2：利用光弹法检测烧蚀凹坑点的残余应力是否为0：否，返回步骤S1，是， 进入下一步骤；
S3：利用凹坑点排列密度调控光的透射率，使软边光阑边缘CO2激光相爆炸烧蚀凹坑点的密度朝着靠近软边光阑边缘的方向逐渐增加。
2.根据权利要求1所述的抗激光损伤的软边光阑制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述聚焦CO2激光脉冲的功率密度大于1.5×106W/cm2，脉宽为4μs。
3.根据权利要求2所述的抗激光损伤的软边光阑制备方法，其特征在于：步骤S1中，利用声光调制器对射频激励CO2激光器发出的激光脉冲波形的峰值进行裁剪，获得脉宽为4μs的CO2激光脉冲，再采用扩束聚焦系统对CO2激光脉冲进行聚焦，获得功率密度大于1.5×106W/cm2、脉宽为4μs的聚焦CO2激光脉冲。
4.根据权利要求1所述的抗激光损伤的软边光阑制备方法，其特征在于：步骤S3中，采用二维扫描振镜或二维平移台制备软边光阑。
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A Novel TiO2 Combined Pulsed Diaphragm Discharge System for Phenol Degradation;jianjin;《PLASMA SCIENCE & TECHNOLOGY》;20151223;第17卷(第4期);303-308 *
平顶高斯光束及其通过圆孔光阑的衍射;屈军等;《应用激光》;20070815(第04期);60-63 *

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