光学薄膜对激光系统中光场的调控起着十分重要的作用, 但同时也极易受到高能量密度脉冲激光辐照的累积效应而发生损伤, 这种累积效应往往引起薄膜内部温度升高, 从而发生熔化、破裂等损伤现象。设计了Ta2O5/SiO2双层增透膜(183.33 nm/249.3 nm), 从热动力学原理出发, 构建了激光诱导Ta2O5/SiO2双层薄膜的温度场和应力场模型, 利用MATLAB软件对双层薄膜的温度及应力大小进行了仿真计算。结果表明, 激光辐照Ta2O5/SiO2双层增透膜时, 膜层均发生热损伤且产生热应力, 热应力发生突变, 膜层发生热致应力损伤, 研究结果对探究激光诱导多层薄膜热致损伤机理具有重要指导意义。
光学薄膜 激光辐照 温度场 应力场 损伤 optical films laser irradiation temperature field stress field damage
西安工业大学光电工程学院, 陕西省光电测试与仪器技术重点实验室, 陕西 西安 710021
随着激光技术的不断发展, 对应用于大功率、高能量激光系统, 以及激光防护系统中的光学薄膜器件提出了高损伤阈值的要求。但目前在激光损伤阈值的测量上, 还存在测量标准不统一、重复性不好、准确性差、相互结果难以比对等问题, 其主要原因在于不同的材料及膜系适用于不同的损伤识别方法。对目前国内外在损伤识别方法方面的研究进行了总结, 阐述了图像法、散射法、等离子闪光法, 等离子体光谱法等多种不同的损伤识别方法, 介绍了各种方法识别损伤的原理、特点, 以及损伤识别的效果, 期望对激光损伤阈值测试方面的研究具有参考和借鉴。
激光损伤阈值 识别方法 薄膜 等离子体光谱法 声学法 质谱法 laser-induced damage threshold discriminant method thin film plasma spectroscopy acoustic method mass spectrometry
西安工业大学光电工程学院，陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西 西安 710021
光学元件的激光诱导损伤阈值是衡量其抗激光损伤能力的重要指标。周期性表面光学元件具有良好的光学特性，在高功率激光系统中也有着潜在的应用，准确测定其激光诱导损伤阈值尤为关键。本文分析了激光诱导损伤阈值不确定度的主要来源，建立了激光诱导损伤阈值不确定度的计算公式，给出了减小激光损伤阈值不确定度的处理方法。结果表明：当激光的标定光斑半径为400 μm、误差为10 μm、激光能量误差为5%时，能量密度引入的不确定度为0。则激光损伤阈值的不确定度主要来源为损伤几率不确定度和线性拟合不确定度。通过增加每一能量级的测量次数，可以进一步减小激光损伤阈值的不确定度。
光学元件 周期性表面 激光诱导损伤阈值 不确定度 激光与光电子学进展
2022, 59(23): 2320001
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 贵州大学物理学院, 贵州 贵阳 550025
3 喀什大学数学与统计学院, 新疆 喀什 844008
维生素C为酸性己糖衍生物, 有L-型(抗坏血酸(AA))和D-型(脱氢抗坏血酸(DHA))两种异构体, DHA是AA的第一个稳定氧化产物, 是AA的可逆氧化形式, 因此, 对AA的任何性质或度量的讨论都将涉及同一体系中DHA的性质。 紫外光谱是电子跃迁难易程度和几率的直观体现, 理论计算方法与分子模型的构建不合理, 都将导致对维生素C的最大吸收峰产生误判, 从而无法准确的表征维生素C的激发性质。 因此, 为准确探究维生素C的抗氧化机理, 在液相环境中, 基于密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函(TD-DFT)理论, 分别采用pbepbe/6-311++g(2d, 2p)方法和B3LYP/6-311++g(2d, 2p)方法, 计算并分析了维生素C的抗坏血酸和脱氢抗坏血酸分子的结构、 紫外光谱及电子激发特征。 结果表明: pbepbe/6-311++g(2d, 2p)是计算AA紫外吸收光谱更精确的方法; DHA比AA的环状结构发生了显著的平面扭曲。 紫外光谱分析可知, 基态跃迁到S1, S2, S3, S4, S14和S18激发态为AA产生紫外光谱的主要原因, AA位于200.171 5 nm处的吸收峰包含n→π*, n→σ*电子跃迁, 266.9248 nm处的吸收峰包含n→π*和π→π*的跃迁。 基态跃迁到S6, S9, S12, S13, S15, S16, S17, S19和S20激发态为DHA产生紫外光谱的主要原因, DHA的最强吸收峰位于181.024 8 nm处, 具有n→σ*和n→π*的跃迁特征, 231.346 39 nm处微弱的吸收峰指认为n→π*跃迁, 282.466 8 nm处的吸收峰主要对应n→π*的跃迁; 通过空穴-电子分布及其衍生量的分析, 可定性地对AA吸收峰起主要作用的7个激发态的特征及对DHA吸收峰起主要作用的9个激发态的特征进行详细的指认。 其中对AA紫外光谱起主要贡献的S4, S13和S14激发态与对DHA紫外光谱起主要贡献的S6, S9, S17和S20激发态电荷转移较明显, 空穴的质心中心和电子质心的中心分离较明显, 可以指认为电荷转移激发, 而其他激发态的电子与空穴分离程度很低, 指认为局域激发。
抗坏血酸 脱氢抗坏血酸 密度泛函理论 紫外光谱 Ascorbic acid Dehydroascorbic acid Density functional theory Ultraviolet spectrum
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 北方光电集团有限公司, 陕西 西安 710065
离子源作为一种离子束发射装置, 常用于光学薄膜的制备中, 但离子束中包含各种能量的离子, 在光学薄膜制备过程中严重影响着薄膜成型后的微观结构和性能。针对目前国内外离子源普遍存在输出能谱过宽的缺点, 以电磁场理论为基础, 并对各能级的离子运动轨迹进行了仿真分析, 设计了一种离子能量筛选器, 仿真结果表明, 经过筛选器筛选后能有效剔除过高和过低能量的离子, 偏离中心离子能量负100 eV的筛选率, 已达到82.24%, 在光学薄膜制备领域中具有良好的应用前景。
离子源 离子能量 筛选器 离子束辅助沉积 有限元仿真 ion source ion energy filter ion beam assisted deposition finite element simulation
西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
通过对激光作用薄膜元件后的损伤过程和图像损伤特征进行分析与研究,借助光学薄膜损伤表面三维微观形貌的重构,揭示薄膜元件损伤机理。基于白光干涉显微原理,采集薄膜损伤表面的干涉显微三维云数据,运用Delaunay三角剖分法构建损伤表面的三角网格模型,通过可视化仿真,实现了损伤表面三维微观形貌的再现。结果表明:实验测试的HfO2薄膜表面损伤区域呈坑状凹陷,损伤形貌不规则,内部有鼓包、裂纹存在,边缘处陡度变化大、毛刺较多;对重构图像、VEECO Vision软件处理结果、Taylor-Hobson非接触式轮廓仪测试结果进行对比后发现,重构图像能更直观、全方位地再现损伤表面细微形貌。研究结果给分析损伤表面形貌特征、调控高损伤阈值薄膜制备工艺提供了技术支持。
测量 薄膜元件 白光干涉 三维微观形貌 Delaunay三角剖分 重构
光子学报
2020, 49(10): 1031002
西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室, 西安 710021
以SiO2、TiO2、YF3为单组分材料分别制备了SiO2/YF3、TiO2/YF3复合薄膜，探究复合后膜层的光学、力学以及抗激光损伤性能的变化情况.采用双源共蒸技术，通过控制膜料蒸发时的沉积速率制备了混合摩尔比为1：1的两种氟氧化物复合薄膜，对复合膜层的折射率、消光系数、透射特性、表面形貌、粗糙度进行了测量，并研究了其抗激光损伤性能.结果表明：SiO2/YF3、TiO2/YF3复合膜层的折射率分别为1.478 7和1.864 6（波长550 nm），介于单组分材料之间（YF3为1.493 6、SiO2为1.465 1、TiO2为2.048 3），且均呈现正常色散分布；ZYGO干涉测量的结果显示，SiO2/YF3膜层的应力值为1.9 GPa，比单组分材料SiO2和YF3的0.4 GPa大但粗糙度小；TiO2/YF3膜层的应力值为0.8 GPa，比TiO2的3.9 GPa应力小但较YF3大，表现出较明显的应力调节效果；SiO2/YF3复合薄膜的激光损伤阈值为9.2 J/cm2，相比于单组分的SiO2提高了2.2%，较YF3提高了39.2%；TiO2/YF3的激光损伤阈值为7.8 J/cm2，相比于单组分的TiO2薄膜而言提高了85.6%，较YF3提高了17.4%.通过双源共蒸技术沉积得到的氟氧化物复合薄膜，吸收小、膜层折射率可调；SiO2/YF3、TiO2/YF3复合膜层的抗激光损伤性能均优于单组分材料；YF3的掺杂能够明显降低单一TiO2材料的应力，但SiO2/YF3的应力大于单组分的SiO2、YF3薄膜.
复合薄膜 氟化物 氧化物 双源共蒸技术 光学性能 应力 激光损伤阈值 Composite films Fluoride Oxide Dual-source co-evaporation technique Optical properties Stress Laser induced damage threshold
1 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安高斯激光科技有限公司, 陕西 西安 710032
为了大功率激光设备工作时, 减小高斯光束束腰半径外低能量所产生的边缘效应, 避免出现毛边、搭接痕迹明显等问题, 需要对它进行光束整形设计。针对大功率激光光源特性(输出平均光功率为500 W, 脉冲宽度为130~160 ns, 重复频率为20~50 kHz, 波长为1 064 nm, 功率调节范围为10%~100%), 为了减小系统的复杂性, 提高激光能量的利用率, 采用伽利略式非球面透镜整形系统进行参数优化; 选取平顶洛伦兹模型为物理模型, 根据能量守恒定律求得入射光与出射光之间的映射关系; 采用光学软件对系统的结构参数和非球面系数进行优化。计算平顶光束在出射距离20,30 mm时的输出能量均匀度。结果表明: 系统的工作焦深在20～30 mm时, 平顶区激光能量均匀度均大于78.0%。以锈蚀的低碳钢板为作用目标进行了激光清洗实验, 光斑作用区域内, 激光与物质相互作用均匀, 证明本设计能满足大功率激光使用环境的要求。
大功率激光 光束整形 平顶洛伦兹模型 平顶光束 high-power laser beam shaping flat-top Lorentz model flat-top beam 光学 精密工程
2020, 28(10): 2129
