脈衝壓縮光柵雷射損傷機制研究

《脈衝壓縮光柵雷射損傷機制研究》是依託武漢理工大學，由夏志林擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：脈衝壓縮光柵雷射損傷機制研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：夏志林
• 依託單位：武漢理工大學

項目摘要

脈衝壓縮光柵作為雷射脈衝啁啾放大和壓縮的核心元件之一，直接與輸出的高功率密度雷射脈衝作用，其抗雷射損傷能力將直接影響整個雷射系統的性能。脈衝壓縮光柵結構複雜，包含基底、膜層以及浮雕等結構區域，其雷射損傷特徵、機理與過程缺乏專門的系統的研究。本項目擬在光柵基底、膜層及浮雕表面人為鋪設模擬損傷源，或改變光柵的膜系與浮雕結構，進行雷射輻照損傷實驗，總結出各損傷源及光柵結構相關的損傷特徵與規律，整理成損傷分析參考手冊。同時，制訂依據損傷分析參考手冊和光柵損傷數據，有效分離出引起光柵損傷的損傷源位置的分析方法。採用此方法可以分析出光柵製作過程中引入損傷源的工藝環節，有助於提出有針對性的工藝改進措施，提高脈衝壓縮光柵的抗雷射損傷能力。該方法所需損傷數據由常規顯微結構、形貌與成分測試儀器獲得，易於推廣。此外，項目還將以大量損傷實驗數據為基礎，建立理論分析模型，系統研究脈衝壓縮光柵的雷射損傷機理與過程。

結題摘要

衍射光柵尤其是脈衝壓縮光柵作為雷射脈衝啁啾放大和壓縮的核心元件之一，直接和輸出的高功率密度雷射脈衝作用，其抗雷射損傷性能對整個雷射系統至關重要。本項目實施中設計和製備了鍍金光柵、介質膜光柵和金屬介質光柵等三種脈衝壓縮光柵，分析了其雷射損傷特性與規律。同時，建立有限元分析模型，計算了不同結構光柵中的電磁場、溫度場和應力場分布情況，研究了所製備光柵的雷射損傷機理。三種結構光柵中，鍍金光柵具有最寬的高衍射譜區，介質膜光柵具有最高的衍射效率峰值，金屬介質的衍射效率峰值和頻寬介於鍍金光柵和介質膜光柵之間。 對於鍍金光柵，由於金膜自身吸收較高，損傷閾值較低，缺陷雜質對損傷閾值影響不大，光柵損傷形式主要是金膜熔融或剝落。通過添加保護層、增強金膜附著力以及採用較軟的基層光刻膠光柵材料，可以適當提高光柵的雷射損傷閾值。對於介質膜光柵，納秒雷射輻照時由於材料自身吸收較低，光柵損傷閾值較高。光柵表面存在污染或缺陷會明顯降低其損傷閾值，損傷形式主要為光柵脊或槽表面的損傷微坑。因此光柵表面保持清潔和控制缺陷很重要。皮秒雷射輻照時，損傷主要以光柵脊的開裂和倒伏為主，缺陷雜質的影響隨雷射脈寬變窄越來越不明顯。對於金屬介質光柵，損傷閾值介於前兩者之間，皮秒雷射輻照時光柵損傷形式主要為光柵脊中氧化鉿層的熱燒蝕。飛秒雷射輻照時光柵損傷位置不變，但是損傷形式主要為超熱電子引起的材料噴發，具有明顯的應力損傷特徵。 對於損傷源位置的判斷，實驗上以FIB-SEM測試方法最為有效，該方法可以精確定位損傷斑位置，獲得精細的損傷斑剖面形貌，以便直觀地判斷損傷源位置、形態和損傷機理。三種結構光柵在近閾值能量密度雷射輻照下，損傷均發生在光柵表面，影響光柵雷射損傷閾值的是分布於光柵表面的缺陷或雜質。因此，本項目著重研究了光柵表面損傷的特徵和規律。本項目研究所取得的結論對提高脈衝壓縮光柵的雷射損傷閾值具有指導性意義。