激光聚焦位置对K9光学玻璃损伤的影响

　　多年来,高强度激光脉冲对光学元件的损伤问题一直是制约高功率激光器输出的重要因素,因此光学材料的体损伤机理研究对于提高光学元件的抗损伤能力和增加高功率激光器的输出有很重要的意义。K9玻璃是一种重要的光学材料,其损伤的机理研究已经有了许多相关的报道[1-6]。目前解释光学材料激光损伤的理论模型有:雪崩电离、多光子吸收和缺陷诱导损伤等模型[7]。各种损伤的机理本质是电子吸收光子后产生电离,从而产生自由载流子,自由载流子对光有强的吸收作用,因此自由载流子的数量越多对激光的吸收越强。吸收的激光能量一般转化为热能,在材料内部产生局部的高温高压引起应力的产生,使材料发生熔化或炸裂损伤[8]。

　　本文讨论了K9玻璃在1 064 nm激光脉冲作用下的损伤问题,比较分析了聚焦在体内与体表的能量透过与吸收情况,并对相应的实验现象做了理论解释。

　　1　实验部分

　　1.1　实验装置图

　　实验装置如图1所示。输出激光采用波长为1 064nm的基频激光,脉宽为10 ns(FWHM)。经He-Ne光准直后,激光脉冲经分光镜(透射率与反射率比为4∶1)分光后,一束光经一衰减片后射入光束质量分析仪,光束质量分析仪将信号送入计算机,经过分析得出脉冲近似于高斯型;一束通过透镜聚焦到样本上,样本为两块尺寸分别为45 mm×35 mm×8 mm和38 mm×25 mm×2mm的K9玻璃,其表面粗糙度均小于10 nm。同时,运用CCD进行实时监测。透过的光束再次经过同样的分光镜,经衰减片射入到能量计,我们采用Ophir公司的PE25能量计,对于脉宽小于30μs的脉冲,其测量范围为200μJ~10 J,精度达到±3%,能量计将信号送入计算机进行实时测量;最后采用KEYENCE公司的VHX-600K显微镜进行观察和记录激光脉冲在光学元件表面和内部造成的损伤形貌。

　　1.2　实验结果

　　首先使用一块45 mm×35 mm×8 mm的K9玻璃,激光从45 mm×35 mm的面垂直射入,激光聚焦在玻璃的中间。我们得到的实验结果如图2所示(激光是从图2的右方入射到玻璃中的)。

　　Fig.2　When the laser emits single pulse with different incident energy

　　the contrast figures show the bulk damage in K9 glass(f=10 cm)

　　图2　激光器输出不同能量时单脉冲造成K9玻璃体内破坏的对比照片(f=10 cm)

　　使用另一块38 mm×25 mm×2 mm的K9玻璃,把激光聚焦在38 mm×25 mm的表面,得到的实验结果如图3所示

　　Fig.3　When the laser emits single pulse with different incident energy

　　the contrast figures show surface damage of K9 glass(f=10 cm)

　　图3　激光器输出不同能量时单脉冲产生的表面破坏对比照片(f=10 cm)