高重復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時測量了波長532 nm，重復頻率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，最大熱變形量達到1.7 μm，Strehl比降到0.209。

關鍵詞：激光輻照 熱變形 光束質(zhì)量

中圖分類號：TN248文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0069-01

在復雜強激光長距離傳輸系統(tǒng)中，作為導光用的反射鏡在光學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)定性具有深遠的意義。

近年來，在理論方面，許多學者從熱傳導方程和熱彈方程出發(fā)，運用有限差分和有限元法獲得了光學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，重復頻率10 kHz高功率固體激光輻照下反射鏡表面熱變形的實驗數(shù)據(jù)，還在此基礎上利用光學軟件ZEMAX模擬研究了反射鏡熱變形對光束質(zhì)量的影響。

1 熱變形測量實驗

1.1 實驗裝置和方法

測試系統(tǒng)光路和實驗裝置如圖1所示。實驗使用自行研制的重復頻率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行傳輸整形。反射鏡面形用ZYGO激光平面干涉儀進行測量，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重。

1.2 實驗樣品

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，對其熱變形進行測量。

2 激光功率與熱變形的關系

經(jīng)光纖傳輸整形后照射到樣品上的激光光斑是一個短軸為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)定一定時間后（約1分鐘）開始對反射鏡進行測量，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，當輻照功率為150 w時，熱變形最大達到了1.7 μm，也就是說初始面形與鏡片的熱變形不相關。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，制備工藝控制不穩(wěn)定有關。為此在對光束質(zhì)量有嚴格要求的激光傳輸系統(tǒng)中，實驗前必須進行熱變形檢測。

3 熱變形對光束質(zhì)量的影響

使用光學軟件進行模擬，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中的面形特性將實驗獲得在反射鏡面形歸一化的Zernike多項式系數(shù)，通過設定相應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做評價光束質(zhì)量的標準，表2列出在激光功率為150 W，光斑6 mm輻照時的情況下，鏡面變形后的第四到第九項歸一化Zernike系數(shù)和模擬計算的Strehl比。

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

4 結(jié)語

實驗和模擬結(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)域為中心凸起的變形，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激光系統(tǒng)的評價參數(shù)，在強激光系統(tǒng)中，反射鏡使用前應進行熱變形的篩選，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。將測得的光學元件熱變形后的面形歸一化Zernike多項式系數(shù)都建模到Zemax軟件中，最終可以實現(xiàn)所有光學元件都是以其實際面形建模到激光傳輸系統(tǒng)模型，為研究光學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。

參考文獻

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