放大的自发辐射在光学损伤中的应用研究

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光学元件的抗激光辐照能力决定了高功率激光装置的功率输出水平和运行性能。准确测试光学元件的损伤阈值,不仅可以衡量光学元件的抗激光损伤能力,还是研究激光损伤机理的必然条件。现有激光诱导损伤测试中,一般采用激光远场辐照样品,存在两个不利因素:激光具有良好的相干性,近场局部会因干涉,衍射及非线性效应产生随机分布的强度调制,近场的波前畸变经过聚焦后会影响远场的焦斑质量。近远场的不均匀性与光学元件中的杂质缺陷共同作用,将会导致很难判断元件的损伤是由激光的非均匀分布还是元件本身引起的;激光的远场光斑尺寸较小,会引发口径效应。放大的自发辐射(amplified spontaneousemission,ASE)是部分相干光的一种,具有均匀的近场分布。采用高功率激光装置输出的ASE近场光斑进行诱导损伤研究,既可以获得元件本身的损伤特性,又可以弱化光斑口径效应对测试精度的影响。  本研究主要内容包括:⑴基于部分相干光理论,结合傅里叶变换光谱学建立模型,将光源频谱宽度与时间相干度以及光源近场相关联,研究了不同频谱宽度对光场分布均匀性的影响。为采用ASE作为光学损伤测试和预处理的辐照光源提供了理论基础。⑵模拟计算了光源频谱宽度和光源近场的关系,发现光源的频谱宽度大于8GHz时,时间相干度的绝对值近似为0,近场的干涉条纹消失,菲涅尔数为51.3时,若光谱宽度大于10 nm,衍射环就会大大减少。从而论证了部分相干光ASE应用于光学损伤测试和预处理的可行性。结合传统相干激光在光损伤研究中的难点,研究了ASE光源在元件损伤测试中的技术特点与优势,包括:测试光斑空间分布均匀,有利于排除噪声调制的干扰,获得准确的损伤阈值;光斑尺寸较大,有利于减小光斑的口径效应,为研究样品的缺陷分布和大口径光学元件的损伤测试提供了新的技术途径。⑶采用ASE的近场对TiO2高反射膜进行了损伤测试。由ASE光源测试得到的损伤阈值为14.4 J/cm2,而激光近场诱导损伤得到的阈值为7.4J/cm2(脉宽都为9 ns)。对比样品损伤形貌发现,在脉宽和能量密度相等的情况下,ASE造成的损伤程度要明显弱于激光近场。对于这两种不同光源造成的实验结果差异,本文也从测试光斑空间分布均匀性的角度进行了合理地分析。采用ASE对熔石英玻璃和K9玻璃进行了损伤阈值测试。实验结果表明,这两种光学材料由ASE光源测试得到的损伤阈值约为采用激光光源测试的两倍。另外还对比研究了激光和ASE光源在采用大,小光斑测试时对TiO2高反射膜损伤阈值的影响。⑷采用ASE的近场对熔石英样品进行预处理。实验采用低于元件损伤阈值的能量密度对样品进行台阶式扫描,并对预处理过的样品进行了激光损伤阈值测试及分析。熔石英玻璃零损伤概率的损伤阈值比预处理前提高了1.3倍,其50%和100%损伤概率的损伤阈值相应提高了40%左右。为迸一步验证不同预处理能量和台阶数对预处理效果的影响,对测试样品的损伤形貌进行了对比分析。发现能量台阶数在一定范围内对预处理效果有较好的提升。合理选择能量台阶数既能提升预处理效果又能缩短预处理时间。
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