高重復(fù)頻率脈沖激光輻照下反射鏡熱變形及其對光束質(zhì)量的影響

摘 要：該文采用斐索干涉儀實(shí)時(shí)測量了波長532 nm，重復(fù)頻率10 kHz高功率固體激光輻照下鍍高反膜反射鏡表面熱變形，研究了電子束蒸發(fā)技術(shù)制備的反射鏡的熱變形情況，使用光學(xué)軟件模擬研究了反射鏡熱變形對光束質(zhì)量的影響。結(jié)果表明反射鏡熱變形與激光功率呈線性關(guān)系；不同批次或同一批次的反射鏡熱變形量具有較大的差異；在激光功率150 W時(shí)，最大熱變形量達(dá)到1.7 μm，Strehl比降到0.209。

關(guān)鍵詞：激光輻照 熱變形 光束質(zhì)量

中圖分類號：TN248文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0069-01

在復(fù)雜強(qiáng)激光長距離傳輸系統(tǒng)中，作為導(dǎo)光用的反射鏡在光學(xué)傳輸鏈中被大量使用，為降低高能激光損耗，反射鏡表面蒸鍍高反射膜。高功率激光輻照下，反射鏡基體及其薄膜吸收激光能量，鏡面發(fā)生變形，使激光經(jīng)過反射鏡傳輸時(shí)波前發(fā)生畸變，因此研究反射鏡熱變形以及熱變形引起的像差對光束波面的影響，對提高高功率激光系統(tǒng)光束傳輸質(zhì)量及其穩(wěn)定性具有深遠(yuǎn)的意義。

近年來，在理論方面，許多學(xué)者從熱傳導(dǎo)方程和熱彈方程出發(fā)，運(yùn)用有限差分和有限元法獲得了光學(xué)元件在激光照射情況下溫度場和變形場分布的數(shù)值結(jié)果[1-4]，但由于二者沒有解析解，限制了在檢測技術(shù)中的應(yīng)用。在目前使用的薄膜無損檢測技術(shù)如光熱偏轉(zhuǎn)（PTD）[5-8]和表面熱透鏡技術(shù)（STL）主要是測量表面變形對應(yīng)的信號變化，難以獲得形變形貌的絕對大小分布。本文使用斐索型激光平面干涉儀不但獲得了波長532 nm，重復(fù)頻率10 kHz高功率固體激光輻照下反射鏡表面熱變形的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還在此基礎(chǔ)上利用光學(xué)軟件ZEMAX模擬研究了反射鏡熱變形對光束質(zhì)量的影響。

1 熱變形測量實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

測試系統(tǒng)光路和實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)使用自行研制的重復(fù)頻率10 kHz、波長532 nm、脈寬50 ns的200 W固體激光器作光源，使用高能量光纖對激光進(jìn)行傳輸整形。反射鏡面形用ZYGO激光平面干涉儀進(jìn)行測量，在此用PV值（波峰-波谷）表征反射鏡變形量，其單位一般以λ波長表示（1λ=0.6328 μm）。測試過程為固體激光器發(fā)出激光以一小角度照射到反射鏡表面，干涉儀出射的平行光也垂直照射到反射鏡表面激光照射區(qū)域，反射鏡發(fā)生熱變形，干涉條紋發(fā)生變化，干涉儀通過對干涉圖的判讀，給出反射鏡的畸變波前圖形及波前PV值。

圖2為在不同激光功率輻照下實(shí)際測量的反射鏡干涉圖和面形圖，從圖2看出，隨著激光照射功率的增加，激光光斑直接照射區(qū)域，反射鏡表面變形越來越嚴(yán)重。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

對K9材料做基底，氧化鋯為膜材料，真空電子束蒸發(fā)方法制備的反射率在98%以上的反射鏡，選取同一廠家在相同工藝條件下制備的不同批次全反鏡（52#）和同一批次全反鏡（123#-1，123#-2）作為樣品，對其熱變形進(jìn)行測量。

2 激光功率與熱變形的關(guān)系

經(jīng)光纖傳輸整形后照射到樣品上的激光光斑是一個(gè)短軸為6 mm長軸為8 mm的橢圓，在測試過程中逐漸增加激光功率，固體激光在某一功率穩(wěn)定一定時(shí)間后（約1分鐘）開始對反射鏡進(jìn)行測量，熱變形隨功率變化曲線如圖3所示。

從圖3可知，反射鏡熱變形與激光功率呈良好的線性關(guān)系，并且隨激光功率的增加而增大；不同批次全反鏡，由于鍍膜工藝不同變形不同，既使是同一批次的全反鏡熱變形量存在很大的差異；初始面形很好的全反鏡，當(dāng)輻照功率為150 w時(shí)，熱變形最大達(dá)到了1.7 μm，也就是說初始面形與鏡片的熱變形不相關(guān)。分析原因可能與電子束蒸發(fā)技術(shù)制備的薄膜不夠致密，基底和薄膜材料結(jié)合力不牢有關(guān)，制備工藝控制不穩(wěn)定有關(guān)。為此在對光束質(zhì)量有嚴(yán)格要求的激光傳輸系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)前必須進(jìn)行熱變形檢測。

3 熱變形對光束質(zhì)量的影響

使用光學(xué)軟件進(jìn)行模擬，平行光照射反射鏡，光束直徑10 mm，光束傳輸距離100 m。利用ZEMAX中的面形特性將實(shí)驗(yàn)獲得在反射鏡面形歸一化的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)，通過設(shè)定相應(yīng)的口徑值直接建模到軟件中，利用軟件的分析功能研究了熱變形對光束質(zhì)量的影響。使用Strehl做評價(jià)光束質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，表2列出在激光功率為150 W，光斑6 mm輻照時(shí)的情況下，鏡面變形后的第四到第九項(xiàng)歸一化Zernike系數(shù)和模擬計(jì)算的Strehl比。

根據(jù)表2看出，（1）強(qiáng)激光照射下熱變形引起的像差首先表現(xiàn)為負(fù)離焦，其次是球差。（2）像差的存在降低了激光束遠(yuǎn)場能量的集中度，Strehl比顯著下降。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果顯示真空電子束蒸發(fā)技術(shù)制備的反射鏡，鏡面激光輻照區(qū)域?yàn)橹行耐蛊鸬淖冃?，鏡面變形附加的近場zernike波像差中離焦最大，其次是球差；不同批次，甚至是同一批次生產(chǎn)的反射鏡熱變形量具有較大差異，初始面形已不能完全作為反射鏡在強(qiáng)激光系統(tǒng)的評價(jià)參數(shù)，在強(qiáng)激光系統(tǒng)中，反射鏡使用前應(yīng)進(jìn)行熱變形的篩選，本文所搭建的測試系統(tǒng)具有推廣性，適用于對增透膜，分光膜和基底材料熱變形的測量。將測得的光學(xué)元件熱變形后的面形歸一化Zernike多項(xiàng)式系數(shù)都建模到Zemax軟件中，最終可以實(shí)現(xiàn)所有光學(xué)元件都是以其實(shí)際面形建模到激光傳輸系統(tǒng)模型，為研究光學(xué)元件熱變形對激光系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響提供了新的研究途徑。

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