1064 nm激光和355 nm激光同时辐照DKDP晶体的耦合预处理效应 下载: 887次
1 引言
磷酸二氢钾(KDP)和磷酸二氘钾(DKDP)晶体是一类性能优良的光学材料,具有较大的非线性光学系数,较宽的透光波段,易于实现相位匹配,易于生长出优质大尺寸单晶体,生长速度快等优势,常被用作惯性约束核聚变(ICF)高功率激光器中的电光开关元件和频率转换器件[1]。但这类晶体所存在的激光诱导损伤问题严重影响其光学性能,同时增大了光束对比度以及下游光学元器件损伤的可能性[2]。目前,KDP/DKDP晶体的纳秒激光诱导损伤源主要是材料在生长、加工以及后续处理过程引入的各种类型的缺陷,带有随机性[3-5]。
在激光的频率转换过程中,波长为1064 nm的激光首先通过Ⅰ类KDP晶体部分倍频为532 nm激光,532 nm激光与剩余1064 nm激光通过Ⅱ类DKDP晶体混频为355 nm激光,因此,晶体中存在多个波长激光同时辐照的情况[1]。针对这种情况,Reyné等[6]发现1064 nm激光以固定能量密度辐照KDP晶体时,材料的损伤概率会随着532 nm倍频激光能量密度的增大而升高。DeMange等[7-8]发现532 nm和355 nm激光或1064 nm和355 nm激光同时辐照DKDP晶体时,损伤针点密度都会随激光能量密度升高而增大。而且532 nm和355 nm激光或1064 nm和355 nm激光同时辐照DKDP或KDP晶体时的损伤针点密度明显大于双波长激光作用时间存在延迟时的损伤针点密度[7,9]。Carr等[10]发现波长分别为1064、532、355 nm的激光同时作用于DKDP晶体时,损伤针点的尺寸随不同波长激光的总能量密度增加而变大,损伤针点密度在输入激光能量密度恒定的情况下随混频转换效率的升高而增大。这些研究结果都表明波长分别为1064、532、355 nm的激光混合辐照KDP/DKDP晶体时,材料损伤会加重[6-11]。
但355 nm和1064 nm激光共同辐照DKDP晶体时,材料的损伤被抑制,在这个过程中存在一种耦合预处理效应,它是一种新现象。本实验的双波长激光耦合预处理效应也不同于Exarhos等[12-14]仅采用单波长激光的预处理效应,它是一种新的且更好的激光预处理手段。本实验首先建立了两个不同波长激光同时辐照DKDP晶体的损伤测试平台,以损伤针点形貌、密度、尺寸和损伤概率为评价指标。当355 nm激光以R-on-1方式作用于样品,并加入不同能量密度(0、12.3、29.4 J/cm2)的1064 nm激光时,随着1064 nm激光能量密度逐渐升高,测试样品的抗激光损伤性能逐渐改善,其损伤针点形貌逐渐趋向于1064 nm激光单独作用时的损伤针点形貌,损伤针点密度逐渐降低,损伤针点尺寸逐渐增大。本实验结果可为通过多波长激光预处理KDP/DKDP晶体来提高材料的抗激光损伤性能的研究提供参考。
2 实验测量方法
2.1 实验装置
激光损伤测试装置如
2.2 实验样品和测量过程
实验样品为Ⅱ类三倍频DKDP晶体,采用传统生长法,氘化率为70%,尺寸为45 mm×45 mm×10 mm,表面采用单点金刚石飞切方式进行抛光。整个样品分为4个区域,分别由1064 nm激光单独辐照、355 nm激光单独辐照、355 nm激光和能量密度为12.3 J/cm2的1064 nm激光同时辐照、355 nm激光和能量密度为29.4 J/cm2的1064 nm激光同时辐照。实验过程对样品采用R-on-1测试方法[15],即对样品同一靶点进行激光能量密度不断升高的脉冲辐照,其中355 nm激光和1064 nm激光单独作用时,起始能量密度都为0 J/cm2,能量密度梯度为1.7 J/cm2,最终能量密度分别为(30.9±2.9) J/cm2和(105.3±12.9) J/cm2;而两波长激光同时作用时,1064 nm激光的能量密度固定为12.3 J/cm2或29.4 J/cm2,355 nm激光的能量密度变化跟其单独作用时类似,只是其最终能量密度为(34.1±3.7) J/cm2,这样可以组合成波长成分不同且能量密度不断升高的脉冲激光。每个区域约测试50个靶点,可以得到4条损伤概率曲线。同时,在每个靶点的R-on-1测试结束时通过CCD抓拍损伤针点的散射图像,并统计出损伤针点的平均密度和平均直径。
3 实验结果
3.1 损伤概率
实验获得的R-on-1激光损伤概率曲线如
图 2. R-on-1激光损伤概率曲线。(a) 1ω ;(b) 3ω 和不同定值能量密度的1ω
Fig. 2. R-on-1 laser damage probability curves. (a) 1ω ; (b) 3ω and 1ω with different fixed fluences
3.2 损伤针点形貌
为了验证损伤概率的变化趋势,利用损伤针点的散射图像观测损伤针点形貌,结果如
图 3. 损伤针点的典型散射图像(晶体厚度为10 mm)。(a)能量密度为105.3 J/cm2的1ω ;(b)能量密度为30.9 J/cm2的3ω ;(c)能量密度为34.1 J/cm2的3ω 和能量密度为12.3 J/cm2的1ω ;(d)能量密度为34.1 J/cm2的3ω 和能量密度为29.4 J/cm2的1ω
Fig. 3. Typical scatter images of damage pinpoint (crystal thickness of 10 mm). (a) 1ω at energy density of 105.3 J/cm2; (b) 3ω at energy density of 30.9 J/cm2; (c) 3ω at energy density of 34.1 J/cm2 and 1ω at energy density of 12.3 J/cm2; (d) 3ω at energy density of 34.1 J/cm2 and 1ω at energy density of 29.4 J/cm2
3.3 损伤针点密度和尺寸
本实验还分析了损伤针点的变化趋势。损伤针点的平均密度
式中:
图 4. 不同组合下的损伤针点统计数据。(a)平均密度;(b)平均直径(线段代表统计标准差)
Fig. 4. Damage pinpoint statistics under different combinations. (a) Average density; (b) average diameter (line segment represents statistical standard deviation)
当1064 nm激光和355 nm激光分别单独辐照样品时,355 nm激光的损伤针点平均密度远大于1064 nm激光的损伤针点平均密度;当355 nm激光和1064 nm激光同时辐照样品时,损伤针点平均密度随1064 nm激光能量密度的升高而逐渐降低,这些跟损伤概率预测结果一致。
当1064 nm激光和355 nm激光分别单独辐照样品时,1064 nm激光的损伤针点平均直径比355 nm激光的大1倍左右。当355 nm激光和能量密度为12.3 J/cm2的1064 nm激光同时辐照样品时,其损伤针点平均直径与355 nm激光单独辐照时的平均直径相近;但355 nm激光单独作用时,存在少数细小损伤针点的串联,从而增大了损伤针点的平均直径,也就是说,当355 nm激光和能量密度为12.3 J/cm2的1064 nm激光同时辐照样品时,其损伤针点的平均直径比355 nm激光单独辐照时的略大。当355 nm激光和能量密度为29.4 J/cm2的1064 nm激光同时辐照样品时,其损伤针点的平均直径趋近但未超过1064 nm激光单独辐照时的结果,这说明1064 nm激光的能量密度增加时,所减少的损伤针点是一些尺寸较小的损伤缺陷,同时说明损伤针点的尺寸随着1064 nm激光能量密度的增加而增大。
4 实验分析
1064 nm激光和355 nm激光的耦合预处理效应可以从R-on-1测试过程中的损伤概率曲线和测试终态的损伤针点形貌、密度、尺寸的测量结果中得到验证,是一种新的现象。假设在激光辐照范围内存在一个球形前驱体缺陷,吸收单个波长的激光能量,会引起温度变化,若温度达到临界值,会导致晶体材料出现损伤[19-20]。损伤缺陷所吸收的激光能量为
式中:
5 结论
研究了1064 nm激光和355 nm激光同时辐照DKDP晶体的损伤特性,以损伤针点的形貌、密度、尺寸和损伤概率为评价指标。研究结果表明:当1064 nm激光和355 nm激光以R-on-1方式单独辐照样品时,测试样品在损伤概率或损伤针点方面有不同的损伤响应,表现出明显的波长效应;当355 nm激光以R-on-1方式辐照样品,并加入不同能量密度(0、12.3、29.4 J/cm2)的1064 nm激光时,随着1064 nm激光能量密度的逐渐升高,测试样品的抗激光损伤性能逐渐改善,损伤针点形貌逐渐趋向于1064 nm激光单独作用时的损伤形貌,损伤针点的密度逐渐降低,损伤针点的尺寸逐渐增大,整体上表现出耦合预处理效应。实验结果可为通过多波长激光预处理KDP/DKDP晶体来提高材料的抗激光损伤性能的研究提供参考。
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