用于高功率激光器的大型光学计量

发布时间: 2019-11-20 16:05:27   作者:本站编辑   来源: JOSAA   浏览次数:

 

 

  兆焦耳激光器(LMJ)是一台用于激光等离子体实验的高功率激光器。在90年代中期,项目开始的初期,CEA创建了一个光学计量实验室,用来辅助完成这一激光器建造的所有步骤。本文将概述该实验室在四大主要领域内的能力:表面缺陷,光度测定,激光损伤测量和波前测量。本文的重点是高功率激光器光学件在各领域内的特性,以及那些使我们装置独一无二的特点。

  兆焦耳激光装置(LMJ)是一台位于法国南部,靠近波尔多的高功率激光装置。本文撰写时,其运行能力为5大束,40路光路。每根400×400mm口径的光束能在351nm波长,3ns脉宽的脉冲中输出3.5kJ的能量。LMJ的设计中共可容纳176路这样的光束。每条光路需要约40片大型光学件组件(最大达800×400mm):激光器放大器玻璃片,偏振片,空间滤波器透镜,二倍频/三倍频KDP晶体,介电反射镜,聚焦光栅,真空窗口,相位板等等。这些相加起来将有数千块米级尺寸且必须完全合格的光学件。这些组件是在世界各地生产制造的。为了确保它们一旦安装到光路中就能满足我们的需要,并保证在不同的供应商间实现顺利交接,我们必须依靠一种无可置疑的计量方法。实际上,某些组件必须由多达四个供应商生产。在过去的二十年,我们开发,检测并运行了一系列的仪器设备,使我们能对高标准的激光器组件生产流程进行监控。这些设备是针对我们需要控制的光学件的尺寸的。我们通常将我们的测量分为四个专业领域:表面缺陷检测,光度学测定,激光引起的损伤测量,以及波前测量。在接下来的四个章节我们将详细介绍我们在这些领域内的能力。

  1.      表面缺陷检测

  在一台高功率激光器中,光学件的表面缺陷是必须避免的,因为潜在的激光损伤可能会发生在缺陷自身位置或是其下游的其他组件上。LMJ光学组件的表面缺陷规格是根据ISO10110-7标准来定义的。取决于组件的位置,可接受的缺陷大小可能从红外(IR)区段组件的100微米左右变化到紫外(UV)区段组件的数微米。

  

  1 表面缺陷规格举例

  2.      光度测定

  A.    系统描述

  我们需要大量不同种类的镀膜涂层,比如增透膜或高反膜。为了表征它们,我们与THALES SESO公司合作开发了一种特定的光度计[6a]。借助这一设备,我们可以测量大型光学件在工作入射角下的透射率和反射率。我们也测量特定的光学组件,如长焦距透镜(焦距大于8米),以及特殊的LMJ聚焦光栅光学件。典型的需要控制的规格列举在表2中。这些规格的主要目标是避免能量损失,并限制鬼像光束的能量。

  

  1.aTHALES SESO公司的表面缺陷检测台;(b)带边缘照明的组件全图[a)前视图;(b)后视图];(c)用远距光学显微镜进行表征

  

  2. 抛光光学件上的缺陷探测和显微镜表征。

  

  3. 镀膜缺陷探测平台

  3.      激光损伤测量

  高功率激光系统的一大限制是光学组件的激光损伤抗性,以及损伤区域随着发次累积而不断增长。在纳秒区段,已经建立模型并广为人知的是,损伤的发生是由于光学件的表面或内部存在不同特性的先期缺陷。损伤区域可分为两类:无危险的非增长区域,以及在连续的辐照下持续增长的区域,后者在光学件寿命方面的影响是灾难性的。因此,损伤规格是根据增长性损伤区域来表示的。无论这些光学件是何功能,性质如何(透镜,反射镜,光栅,晶体等等),这些规格如下所述:

  1053nm波长,25J·cm-2通量下,无增长区域;

  351nm波长,14J·cm-2通量下,增长区域的损伤密度低于0.01dam·cm-2(每平方厘米内可增长损伤区域的个数)。

  这些通量分别对应的是红外光束和紫外光束的最高通量,并考虑了空间光束调制。

  

  2. LMJ大型光学组件典型的光度学规格

  4.  波前测量

  3列出了LMJ光学组件典型的波前规格。数字规格(低频或周期>10mm)包含功率和均方根(RMS)梯度,被证实比通常使用的峰-谷界限能更有效地定义焦斑。中频规格(周期在0.1-10mm范围内)以均方根RMS和功率谱密度(PSD)限制来表示。这里主要的兴趣点在于限制由衍射效应引起的光束对比度。最高频(周期<0.1mm)由均方根RMS来表示。这一规格历来与激光损伤联系在一起,因为低的RMS可以保证抛光的平滑。

  

  3. LMJ大型光学组件典型的波前规格

  5.  结论

  CEA已经开发了一整套适用于监控工业生产全流程内主要规格的设备,这些设备每年可生产数百片大型光学件。我们非常重视设备的高水平检验,以及我们供应商的先进检验方法。我们的团队在过去二十年里通过设计,操作,维护和检验这些设备积累了大量的经验。但是,为了与CEA高功率激光器的需求保持“阶段同步”,我们必须增加Petal激光器(亚皮秒光束)的特定需求,LMJ也将从一个在建中的激光器转变为一个被大量使用的装置。根据需求的变化,制造流程的进步,或计量方法的变化,规范将一直处在修订状态。我们的光学计量实验室在辅助LMJ运行和维护方面还有很长的路要走,研发也依旧保持活跃,特别是在激光损伤和表面缺陷领域。

  摘译自:Large optics metrology for high-power lasers Stephane Bouillet, Christel Ameil, Vincent Beau, et al. Journal of the Optical society of America A 36(11):C95-C103

  

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