光学元件激光诱导损伤的太赫兹波识别与特性研究

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激光系统要达到更高能量的输出取决于所用光学元件的抗激光损伤能力,而这种能力的高低是由激光损伤阈值的准确测试来决定,测试中对光学元件的损伤进行识别是关键;太赫兹时域光谱技术是一种快速发展,新兴的无损检测技术,它可将样品在太赫兹波谱的振幅和相位同时提取,方便、快捷的计算出样品的折射率及吸收系数,从而实现对样品物理及化学特性的分析,已成为光学元件特性检测中很好的分析技术,基于此,本文将太赫兹时域光谱技术应用到激光诱导光学元件损伤的识别研究中,寻求一种激光诱导损伤判别的新方法,探究光学元件损伤后在太赫兹波段的光学特性变化。本研究主要内容包括:(1)利用透射式太赫兹时域光谱系统,对激光诱导熔石英玻璃、K9玻璃、Si片的未损伤区域及损伤区域进行测试,获得相应的太赫兹时域信号,经傅里叶变换,计算了太赫兹波段的光学参数,得到了太赫兹频域振幅,折射率及吸收系数,通过比较分析可知:利用太赫兹时域峰峰值,频域振幅的减小变化,吸收系数的增大变化,可实现对三种样品损伤的识别。利用该识别方法,按照国际标准ISO11254中的零损伤几率阈值计算法,对Si片的激光损伤阈值进行测试,结果为1.56J/cm2;为了验证该阈值的准确性,同时采用国际标准规定的显微镜识别法,测试了 Si片的损伤阈值,结果为1.45J/cm2,两种识别法的测试结果相近,表明利用太赫兹时域光谱技术识别Si片损伤的方法是可行有效。(2)将太赫兹时域光谱技术应用到Si基底上镀TiO2薄膜,LaTiO3薄膜,ITO薄膜的激光诱导损伤识别检测中,测试了三种薄膜样品在激光诱导下损伤与未损伤区域的太赫兹时域信号,基于薄膜光学参数的计算模型,获得了相应的太赫兹频域振幅、折射率及吸收系数;比较了三种薄膜损伤区域与未损伤区域的参数差异,发现可将太赫兹时域峰峰值,频域振幅的下降变化;基底未损伤时吸收系数的上升变化,作为TiO2薄膜及LaTiO3薄膜损伤的识别依据,将太赫兹时域峰峰值、频域振幅增大的变化,基底未损伤时吸收系数的减小变化,作为ITO薄膜损伤的识别依据;按照国际标准ISO11254中的零损伤几率阈值计算法,基于该识别依据,对TiO2薄膜、LaTiO3薄膜、ITO薄膜样品的激光损伤阈值进行测试,获得的损伤阈值分别为0.64J/cm2、0.56J/cm2、0.62J/cm2,该结果与基于国际标准显微镜法识别得到的阈值0.55J/cm2、0.53J/cm2、0.57J/cm2相比,数值接近,表明通过太赫兹时域光谱技术对三种薄膜样品的损伤进行识别,是切实可行的。(3)以逐渐增大激光能量密度的方式,诱导熔石英玻璃、K9玻璃、Si片及Si基底上镀的TiO2薄膜、LaTiO3薄膜、ITO薄膜损伤,采用透射式太赫兹时域光谱系统对损伤区域进行测试,以获得的太赫兹时域信号及傅里叶变换后的频域振幅为基础,研究损伤的变化规律。结果表明:随着激光辐照能量密度的增加,损伤区域的太赫兹时域峰峰值,频域振幅逐渐减小,损伤程度逐步加深;因此,可利用太赫兹时域峰峰值,频域振幅的减小幅度判断以上样品的损伤程度。(4)基于熔石英玻璃、K9玻璃、Si片及Si基底上镀的TiO2薄膜、LaTiO3薄膜、ITO薄膜损伤区域与未损伤区域的折射率及吸收系数,初步研究了样品损伤后折射率及吸收系数产生变化的原因,这是由于样品微观结构的变化所引起,结构中出现了断裂键,离子键带隙减小等变化。
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