1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 光电对抗测试评估技术重点实验室，河南 洛阳 471003
随着高能激光系统的发展，对光学薄膜抵抗激光损伤能力的要求越来越高，而激光脉宽是脉冲激光对薄膜损伤行为的重要影响因素。针对Ta2O5/SiO2多层膜，基于1-on-1测试方法，分析其在飞秒、皮秒、纳秒激光作用下的损伤特性。测得800 nm飞秒激光作用下的损伤阈值为1.67 J/cm2； 532 nm和1 064 nm皮秒激光作用下的损伤阈值分别为1.08 J/cm2和1.98 J/cm2； 532 nm和1 064 nm纳秒激光作用下的损伤阈值分别为9.39 J/cm2和21.57 J/cm2，并使用金相显微镜观察了滤光膜的损伤形貌。实验结果表明：飞秒激光对滤光膜的损伤机理主要是多光子电离效应，而皮秒和纳秒激光对滤光膜的损伤机制主要是热效应。滤光膜在飞秒激光作用下的损伤阈值与皮秒激光作用下的损伤阈值相当，纳秒激光作用下的损伤阈值要高一个数量级，透射通带外损伤阈值约为通带内损伤阈值的2倍。
损伤效应 脉冲激光 光学薄膜 损伤阈值 脉宽效应 damage effect pulsed laser optical thin films damage threshold effect of pulse width 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220482
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 光电对抗部， 吉林长春130033
为了探究长波红外激光对红外凝视成像系统HgCdTe红外探测器组件的损伤机理，在ANSYS软件仿真研究的基础，开展了9.3 μm激光对HgCdTe红外探测器损伤效应实验。通过利用ANSYS软件建立了激光辐照HgCdTe红外探测器的有限元理论仿真模型，获得了9.3 μm脉冲CO2激光照射下探测器模型的温升分布，以是否达到熔融温度为判定依据，得到探测器件的仿真损伤阈值。通过开展外场实验获得HgCdTe红外探测器真实工作环境下的损伤阈值，整理并分析实验结果得到HgCdTe红外探测器组件的实验损伤阈值。研究结果表明，基于有限元理论仿真得到的HgCdTe红外探测器模型的损伤阈值为0.54~1.1 J/cm2，与实验得到的损伤阈值0.69~1.23 J/cm2结果较为一致。仿真结果和实验结果均和Bartoli理论的计算结果符合得较好， 验证了模型和实验结果的合理性。
红外探测器 有限元 HgCdTe TEA CO2激光 infrared detector finite element method HgCdTe TEA CO2 laser
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。
大功率激光 空间合束 主镜 激光热畸变 轻量化设计 high power laser incoherent combining primary mirror laser thermal deformation light weight
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了明确超快激光损伤典型成像探测器膜层结构的物理机制, 对飞秒脉冲激光辐照硅基多层膜的损伤特性, 以及各种损伤效应对应的激光能量通量范围和阈值条件进行研究。利用波长为800 nm、脉冲宽度为100 fs的脉冲激光和金相显微镜研究了硅基多层膜在不同激光能量通量和不同脉冲累积下的损伤效应。在能量通量为101~247 J/cm2的激光单脉冲辐照下, 激光作用区域可观察到氧化/无定形化、非热烧蚀和激光诱导等离子体烧蚀所引起的表面损伤, 其损伤效应与激光能量通量有明显联系, 激光作用区域尺寸随能量通量线性增大。在242 J/cm2到247 J/cm2激光能量通量范围内, 可在辐照表面观察到激光诱导压力导致的多层损伤, 损伤概率随激光能量通量的增加由1%增大到51%。在激光能量通量为101 J/cm2的连续多脉冲辐照下, 烧蚀区域尺寸几乎不变, 但烧蚀深度逐渐增加, 其多层损伤机制为表面损伤的累积效应。通过单脉冲损伤实验数据拟合计算确定, 飞秒激光诱导硅基多层膜表面损伤阈值为0543 J/cm2, 应力多层损伤阈值为216 J/cm2。低激光能量通量(≤101 J/cm2)多脉冲辐照累积作用同样可造成硅基多层膜深层损伤。
激光烧蚀 激光损伤 硅基多层膜 损伤阈值 laser ablation laser damage Si-based multi-layer film damage threshold
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
为了研究激光脉冲串对光电系统的损伤和致盲机理, 开展了重频纳秒激光对黑白行间转移相机电荷耦合器件的损伤实验研究。实验结果表明: 存在两种积累损伤效应机理, 多个脉冲到达CCD靶面同一位置的损伤或致盲具有积累效应, 多个脉冲积累损伤能够显著降低线损伤和全靶面损伤阈值, 降低程度与脉冲个数、激光到靶能量密度有关。致盲机理与单脉冲致盲机理相同, 均表现为器件垂直转移电路间及地间的短路; 而激光脉冲串到达CCD靶面的不同位置也能够实现器件的功能性失效, 其机制与单脉冲损伤显著不同, 仅表现为线损伤的叠加, 并未造成器件电路紊乱, 功能性损伤阈值即对应线损伤阈值660 mJ/cm2, 而小于单次致盲阈值1 500 ~2 200 mJ/cm2。
脉冲激光 损伤机理 电荷耦合器件 功能性失效 pulsed laser damage mechanism charged coupled device function failure 红外与激光工程
2017, 46(10): 1003002
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室， 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
在Collins公式基础上，将像差项用Zernike多项式展开后加入衍射积分，获取实际激光光束通过光学系统后的光强分布。对相关理论进行仿真，验证了理论的正确性。同时针对实际激光聚焦光学系统，从统计规律角度分析了系统公差引入对Gaussian光束聚焦光斑带来的影响。计算结果表明聚焦光斑总体随波像差RMS值增大而增大，不同像差分布形式对聚焦光斑特性影响较大。未分配系统公差时，激光聚焦光斑半径为1.520 mm；引入系统公差后，聚焦光斑半径有90%概率小于2.085 mm，平均值为1.700 mm，标准偏差为0.238 mm。
公差像差 Collins公式 Zernike多项式 Gaussian光束 tolerance aberration Collins formula Zernike polynomial Gaussian beam
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明: 吸收功率在0085～0185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1～5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至027 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。
热固耦合 热变形 哈特曼传感器 thermal-structural coupling thermal deformation Hartmann wavefront sensor
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院研究生院, 北京 100049
为深入分析高重频CO2 激光对HgCdTe 晶体的损伤机理，开展了高重频CO2 激光对HgCdTe 晶体的温升实验，测得了不同激光重复频率(1、5、10 kHz)下HgCdTe晶体的温升过程，建立了高重频CO2激光辐照HgCdTe晶体的理论模型，分析了激光重复频率对晶体温升特性的影响；利用ANSYS有限元软件计算了热损伤时HgCdTe晶体的温升值和热应力大小，并结合损伤形貌分析了激光热应力对HgCdTe 晶体损伤的影响。研究结果表明，高重频CO2激光长时间辐照下，晶体表面温度随着辐照时间的增加而升高，辐照10 s时，Hg0.826Cd0.174Te晶体基本达到热平衡，热平衡温度为77 ℃；重复频率大于1 kHz 时，激光重复频率的大小对HgCdTe 晶体温升特性的影响较小，晶体表面温度主要由激光平均功率密度来决定；激光热应力对HgCdTe 晶体的损伤特性影响较小，Hg0.826Cd0.174Te 晶体熔化时的最大热应力为5×107 Pa，该值远小于晶体的极限应力。该研究将对高重频CO2 激光在激光防护等方面具有一定的参考价值。
材料 HgCdTe材料 重复频率 脉冲CO2激光 损伤形貌
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了减小激光辐照下反射镜镜面的热变形问题，建立了反射镜热变形的有限元分析模型。对不同制冷功率时的镜面热变形进行分析，然后针对吸收功率为50 W、光斑半径为镜体半径1/3时的TEM00模高斯光束对镜体结构进行优化，对优化后的反射镜在不同参数的TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束辐照下的热变形进行了分析。仿真结果表明，当施加滞后于激光辐照且与吸收功率近似大小的制冷时，有利于减小镜面热变形，且镜体最终会趋于相对稳定的热平衡状态。此外，当镜体背部切去一厚度为1.4 mm、内径为25 mm 的环状区域时，热变形峰谷（PV）值仅为0.005 μm；同时，优化后的镜体也可在一定程度上减小其他参数激光辐照下的镜面热变形的PV 值。对于TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束，均满足光学系统对热变形的要求。
激光光学 热变形 半导体制冷 结构优化 有限元分析
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京100049
对双光束波长合束精度进行了研究。用镀有特制光学薄膜的滤光片对波长为532和515 nm的两束激光进行合束，并对合束精度进行检测。基于此系统，建立了对应理论模型，并对合束及检测的误差来源和大小进行全面分析。两光束指向稳定性均为50 μrad时，合束精度理论值为14.69″，指向稳定性所占比例为99.26%，系统对质心定位等不稳定因素(误差变化＜3倍)抗性极好，精度变化＜2.4‰; 指向稳定性提高到23.51 μrad时，合束精度理论值为7.09″，指向稳定性所占比例为96.77%，系统仍有较高抗干扰能力，精度变化＜1%。分析表明，影响近场小功率合束精度的因素有激光指向稳定性、机械调节和质心定位误差，其中激光指向稳定性是主要因素。通过调节各因素的比例，可对合束的抗干扰能力进行控制。
双光束合束 波长合束 精度检测 误差分析 double beam combination wavelength multiplexing accuracy testing error analysis
