当前位置:首页 > 业界动态 > 先进激光技术与应用 > 正文

为HiLASE光束分布系统中宽波段实验设计的复合镜的激光损伤阈值

发布时间: 2014-11-18 10:41:26   作者:本站编辑   来源: Proc. SPIE   浏览次数:

   

  HiLASE光束分布系统中宽波段实验设计的复合镜的激光损伤阈值

   

  对于高功率激光系统中的所有部件,以及建立的激光系统最大可实现能量的极限与最终的平均功率,激光诱导损伤阈值是一个关键参数。为了给学术和工业领域提供可靠而稳定的激光源,相关组件必须被测试并符合一定的质量标准。提供这样的激光源是HiLASE项目的目的,该项目发展的大规模千瓦级激光发出重复频率为千赫兹的皮秒脉冲。宽带、高损伤阈值的镜片是今后激光设施的关键部件之一,这些镜片的发展与激光系统和激光损伤阈值测试站同步进行。

  对于光学涂层、反射镜、晶体和其他组件,新材料与新测量方法的研究与发展是非常需要的。一般的脉冲激光,尤其是脉宽小于10皮秒的激光器可提供的能量和平均功率,在过去几年中迅速发展。最初为基础研究设计的纯粹的科学装置,已经延伸到很多领域,如计量、机械加工或医疗器械。利用积累的知识和技术,促成了应用研究和产业所需的紧凑型设备的建设,这些设备可以达到可观的输出功率和能量密度。然而,这样的飞跃只能通过固体激光器实现,固体激光器是唯一提供足够的性能和可扩展性的解决办法。因此高度可靠、坚固和耐用的光学元件的需要出现了,目前显著的努力被投入到这些元件的发展中。

  其他显著的变化发生在感兴趣的波长范围。由于过去可接触和使用的基于掺钛蓝宝石的固体激光器,波长在800nm附近,工业和其他应用的需求引起了波长扩展到更长的压力。这引入了另一种激光系统组件的复杂度——用于大约2μm或更长的波长,制备基于电介质薄膜的结构是非常困难的。同样的方式,随着许多的波长调谐可以实现,能够运行在较长的波长,而且具有相当大的破坏阈值的宽带组件的要求已经出现。使用基于金属或金属基膜的元件不再是一种选择,因为它们的损伤阈值和破损倾向性相对较低。对于这样的挑战,有前途的解决方案,可能是所谓的复合组件。基于金属和电介质薄膜组合的器件,综合了两种材料的优点。复合薄膜结构应用在复合镜上,对于一定波段的光,通过引入适当的电介质层结构,复合镜的损伤阈值得以提高,而且反射镜的宽带操作将被保留。因此,相同的光路可以安全地用于输出高能泵浦激光,以及调谐后的宽波段激光。这种方法减少了复杂程度,并且提高了整个系统的可靠性。

  某些研究项目具有重要作用,以HiLASE为例,不仅为基础研究提供工程背景,而且将科研结果从高平均功率激光领域转移到应用水平。为了这些目的,HiLASE正在开发三套掺Yb:YAG千瓦级的薄片激光光路,第一套光路发出1~2皮秒、重复频率高达1kHz、单脉冲能量1J和光束直径15mm的激光,第二套掺Yb:YAG光路路光掺发出1~2纳秒、重复频率高达100Hz、单脉冲能量100J和光束直径45mm的激光,两路激光都工作在1030nm。第三套光路是将薄片激光系统配备波长转换装置实现的,以提供波长光谱在近红外和中红外区域的激光,由此可靠、高性能的宽波段激光得以输出。本论文先介绍复合镜在HiLASE项目以及未来部署在商业激光系统中的用途,然后阐述目前开发的高损伤阈值宽波段复合镜,其激光损伤阈值的进展。

  1. HILASE项目

  1.1 项目结构

  HiLASE设施计划拥有四个主要的实验场地,分别是激光损伤阈值测试站、超极紫外(bEUV)光源研发、激光-等离子体-材料相互作用室以及材料加工大厅。

  

  图1  HiLASE设备的设计投影图,标记部分是指定的新激光器和实验室

  1.2 激光

  

  图2  研究计划1框架内开发的激光L1示意图。高能再生式放大系统(HERA)被用在L1B

  L1C系统中

  

  图3  研究计划2框架内开发的激光的示意图。预放大输出1J,功率放大系统利用了两套放大头,先放大到10J然后放大到100J,设计允许该激光单脉冲能量达到kJ水平

  1.3 波长调谐

  图4中提出了输出波长可调的皮秒脉冲激光系统,波长在2~3μm范围内可调。该波长转换系统基于光参量产生和放大。波长下转换系统由掺Yb:YAG薄片再生式放大器输出的激光泵浦,该薄片激光器已经建立并且以100kHz的重复频率输出平均功率为75W的1030nm波长的激光。利用L1A泵浦,该薄片激光器在不久的将来,平均功率会升级到100W。信号光必须调节到1.57~2.06μm之间,以便闲散光调节到2.06~3μm。光参量过程发生在周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体中,该晶体具有高的非线性系数,在选择的波长范围内透明,通过温度调节实现非临界相位匹配。PPLN晶体后的光栅使信号光的波段变窄,方便信号光与闲散光分开。

  

  图4  设计波长可调的参量下转换系统。泵浦光用黑线代替,信号光用绿线,闲散光用红线 M:镜片;DM:二向色镜;G:光栅;BD:光束收集器即功率计; PPLN:周期极化铌酸锂晶体;KTA:砷酸钛氧钾晶体

  

  图5  底楼(激光大厅)的光束分布系统,红色代表L2系统的真空管,绿色是L1系统的颜色,下图是配有镜片和压电定位接头的机械设计

  1.4 光束分布系统

  激光束必须要被传输到四个工作场地,保留传输后的光束质量并且满足安全要求。这使得光束分布系统成为应用实验室的关键。

  2. 金属电介质复合镜

  2.1 简介

  

  图6  用于波长1030nm(左)与800nm(右)的复合镜的结构

  

  图7  特定入射角度(AOI)下实验镜片的反射率,把金作为100%反射率的参考标准

  2.2 损伤阈值测试

  

  图8  样品表面被测的点分布以及相等距离下CCD光束分析仪拍摄的激光斑形貌

  实验方案如图9所示,测试样品被固定在电脑控制的微米级精度的XY平台上。然后损伤斑大小通过装载的镜头调节,并且用CCD光束分析仪核对。激光束透过半波片和偏振片,其中s方向偏振的光束被反射到光束收集器。只有p方向偏振的光束与测试样品相互作用。光束能量依靠偏振片和半波片控制,并用功率计持续监测。

  

  图9  测试复合镜激光损伤阈值的装置示意图

  3.     

  

  图10  第一批镜片(1030nm),熔融石英基底上的金薄膜层(H001)和BK7玻璃基底上金薄膜层(H004),损伤阈值概率图和相应的损伤形貌

  

  图11  第一批镜片(1030nm),熔融石英基底上的银薄膜层(H011)和BK7玻璃基底上银薄膜层(H014),损伤阈值概率图和相应的损伤形貌

  

  图12  第二批镜片(800nm),熔融石英基底上的金薄膜层(H021)和BK7玻璃基底上金薄膜层(H024),损伤阈值概率图和相应的损伤形貌

  

  图13  第二批(800nm),熔融石英基底上的银薄膜层(H031)和BK7玻璃基底上银薄膜层(H035),损伤阈值概率图和相应的损伤形貌

  

  图14  对比测试镜片LIDT性能的简表

  4.     

  新设计的复合镜的几个样品被制造出来,并且在波长800nm波长处试验。所有样品明显比市售的800nm金属反射镜具有更高的损伤阈值。金与电介质复合镜的实验激光损伤阈值是0.55J/cm2,而银与电介质复合镜则为1.5J/cm2。此外,复合镜在标称波长之外也进行了试验。虽然非标称波长的损伤阈值比标称波长低,但复合镜的损伤阈值明显高于市售的金属反射镜。这样的复合镜在HiLASE项目的光束分布系统是可行的,并将在HiLASE系统的激光损伤阈值站中当做原型。

  由于本文中的复合镜仅仅是原型,一些问题仍然有待解决。进一步的实验将主要集中测试镜片在1030nm和1.5~3.5μm波长处的使用情况。另外,制造过程引起的银降解的问题需要解决,解决之后直径50毫米直径的复合镜才能开始生产。今后的工作也将研究损伤的主要来源,以便进一步提高复合镜的损伤阈值。

  杨扬摘译自:Laser induced damage threshold of a hybrid mirrors designed for broadband operation in HiLASE beam distribution system.Jan Vanda, Ondřej Novák, Adrien Hérvy, Václav Škoda.

  Proc. SPIE, 9237, Laser-Induced Damage in Optical Materials: 2014, 92371B,2014

 
我来说两句
您尚未登录,请登录后发布评论! 【马上登录
评论列表
已有 0 条评论(查看更多评论)
友情链接
 
电话:021-69918000 传真:021-69918800 Processed in 0.828 second(s)
360网站安全检测平台 Powered by SIOM Copyright © 2014 www.siom.ac.cn, All Rights Reserved pv总量 访客数总量