光學(xué)元件及其測量技術(shù)

摘要：高功率激光器具有廣泛的應(yīng)用，包括精密工業(yè)加工、激光成像/測距，以及強場物理學(xué)應(yīng)用等。光學(xué)鏡片與鏡頭作為激光光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心元件，對于激光系統(tǒng)有著重要的影響。隨著高功率光纖激光，紫外激光以及皮秒飛秒激光的運用普及，對于核心的光學(xué)元件要求越來越高。我們將從材料選擇，亞納米拋光，離子濺射鍍膜等技術(shù)來闡述光學(xué)元件的制造與檢測。

引言

近年來，高功率激光、深紫外/X射線學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，不僅延伸了光學(xué)材料的選擇，也對光學(xué)元件提出了極精密面型和超光滑表面的加工要求，其表面粗糙度在亞納米，即埃級（ ）。另外，激光損傷閾值大于40J/cm2的鍍膜技術(shù)以及吸收率低于0.15%的高功率元件有效提高了千瓦級以上的激光器的可靠性。因此，尋求新型的鍍膜技術(shù)突破，實現(xiàn)致密而精準(zhǔn)的膜層，至關(guān)重要。與此同時，能夠定量地測量吸收率、激光損傷閾值，并且研制與國際測量標(biāo)準(zhǔn)接軌的測試儀器重要而迫切。

在應(yīng)用領(lǐng)域，YAG高功率激光應(yīng)用主要用于厚金屬焊接、厚金屬切割、大型鋼件熔覆與表面處理等方面。如（1）汽車骨架、船舶零部件的焊接與切割，最新的高功率激光切割鋼板的厚度能夠達(dá)20mm，切縫光滑整潔無毛刺；（2）新能源汽車動力電池的焊接,高功率焊接可以解決焊縫出現(xiàn)焊不透，焊縫有凸起、小孔等現(xiàn)象；（3）船舶傳動軸的修復(fù)與表面處理。對于高功率紫外和綠光激光，主要用于精細(xì)微加工，如切割OLED顯示屏等。紫外激光聚焦光斑小，切割后的屏幕無裂紋和崩邊。南京波長光電公司最新研制的大幅面紫外遠(yuǎn)心場鏡，承受功率15W紫外皮秒激光，且聚焦光斑只有13μm左右，場曲小，切割幅面達(dá)到180x180mm2，對比三維運動切割提升了切割效率和穩(wěn)定性，解決了大屏切割難的問題。

高功率激光光學(xué)元件的加工

1

光學(xué)材料的選擇

對于紫外、YAG光纖和半導(dǎo)體激光器等，常用的光學(xué)元件材料有H-K9L、紫外熔石英（JGS1）、賀利氏313和康寧7980等。相比較于K9玻璃，石英玻璃有更低的熱膨脹系數(shù)，更少的雜質(zhì)含量，更好的光學(xué)均勻性，因而受到高功率激光市場的青睞。在高功率和超快激光應(yīng)用領(lǐng)域,國內(nèi)廠家更傾向于國外的賀利氏和康寧材料。

表一 ：各種玻璃參數(shù)對比

2

亞納米拋光技術(shù)

超光滑表面除了面形精度和表面粗糙度要求極高以外，還要求表面有完好的晶格結(jié)構(gòu)、無缺陷，能消除加工損傷層。關(guān)鍵在最后一道工序：超精密拋光技術(shù)。波長光電的超光滑表面加工工藝結(jié)合了傳統(tǒng)的機械去除法以及磁性拋光法，達(dá)到表面粗糙度低于5  。原子力顯微鏡的測試結(jié)果如圖二。

3

離子濺射鍍膜技術(shù)

制備激光薄膜通常是用電子槍蒸發(fā)或者離子束輔助電子槍蒸發(fā)來制備的，薄膜中容易產(chǎn)生節(jié)瘤缺陷和高溫成膜導(dǎo)致的微觀結(jié)晶顆粒的存在，難以制備出高質(zhì)量激光薄膜，限制了薄膜的激光損傷閾值的提高。而離子束反應(yīng)濺射鍍膜技術(shù)，在接近常溫下成膜，可以獲得無定形態(tài)微觀結(jié)構(gòu)的薄膜，；而且能將光學(xué)吸收降到最低的水平。

我們用離子束反應(yīng)濺射沉積設(shè)備制備了氧化鉿和二氧化硅激光增透膜，并對此薄膜進(jìn)行了光學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特性以及激光損傷性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，用雙離子束反映濺射沉積的激光薄膜不僅膜層致密，而且具有極低的散射和吸收，均勻的非晶結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)缺陷少，激光損傷闞值高。檢測的激光損傷閾值為40J/cm2，如圖二所示。檢測條件：測試激光波長為1 064 nm，脈沖寬度為10 ns，樣品的測試采用1-on-1的方式進(jìn)行，取0損傷幾率時的能量密度作為樣品的損傷閾值。目前還存在的問題是成膜材料的純度有待提高。

圖二 激光損傷閾值測試結(jié)果

高功率激光光學(xué)元件的測量

波長光電-西安工業(yè)大學(xué)激光器件可靠性測試中心致力于對高功率激光元件的評估及認(rèn)定，除了可以對激光器件進(jìn)行預(yù)處理以提高薄膜的激光抗損傷閾值外，還可以開展對器件的激光抗損傷閾值進(jìn)行測試，對膜層的吸收的能力測試，以及利用高低溫循環(huán)判別并加速壽命測試等，為元件的定量評估提供可參考的路徑。

1

光學(xué)鏡片的抗損傷閾值測試

光學(xué)薄膜激光損傷閾值測試儀依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11254建立，主要用于薄膜或光學(xué)元件表面強激光承受能力的測試，如圖三所示。該儀器可進(jìn)行：1、光學(xué)元件或薄膜激光損傷閾值及損傷斑的測試；2、激光預(yù)處理，提高薄膜的激光損傷閾值。

該儀器使用簡單，測試方便，實現(xiàn)了數(shù)字化、集成化、智能化?；竟δ苣K包含散射判別模塊與圖像判別模塊；擴展功能模塊包括復(fù)核校驗?zāi)K、光譜分析與判別模塊、聲譜分析與判別模塊、質(zhì)譜分析及判別模塊。

該系統(tǒng)具有一下三種特點及優(yōu)勢：首先，相互補充、互為校對的多種損傷判別方法。每種損傷判別方法都有一定的局限性和應(yīng)用范圍，單一的損傷判別方法難以對不同厚度、不同膜系的薄膜均做出準(zhǔn)確的判別。本套系統(tǒng)集成了多種檢測方法：圖像檢測、散射檢測、光譜檢測、聲譜檢測等，這些方法相互補充、互為校對，拓展了測試對象的應(yīng)用范圍，為整體系統(tǒng)的測試穩(wěn)定提供了有力的保障。其次，高倍率的樣品在線檢測復(fù)核系統(tǒng)。由于工作距的限制，目前測試系統(tǒng)中圖像判別法采用的CCD放大倍率只能達(dá)到50倍以下，不滿足國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的100倍的要求。對此，系統(tǒng)配備了高倍變焦顯微鏡校驗系統(tǒng)，方便用戶在不影響測試過程，不拆卸樣品的情況下，對損傷點的實際情況進(jìn)行在線復(fù)查，保證了對準(zhǔn)精度。另外，雙波長共光路的系統(tǒng)設(shè)計。本儀器具有單波長（1064nm或者532nm）和雙波長（1064nm和532nm）兩種類型。針對雙波長測試儀，采用兩臺激光器，經(jīng)過合色棱鏡，合并在一束光路上，簡化了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可對同一點，實現(xiàn)雙波長激光的同時預(yù)處理。

2

激光吸收率測試

波長光電與新加坡科研局合作開發(fā)的MatCaloreTM是世界上第一款商業(yè)光學(xué)元件吸收測量系統(tǒng)。滿足ISO測量標(biāo)準(zhǔn)11551，該儀器是基于量熱學(xué)設(shè)計的。準(zhǔn)直激光束照射在光學(xué)元件上，一部分激光能量被吸收后轉(zhuǎn)化為熱量，此部分熱量表現(xiàn)為被測樣品件的溫升?；陔p傳感器差別溫度測量進(jìn)一步降低系統(tǒng)誤差，基于三點算法的計算軟件實現(xiàn)了自動化功能，為工廠車間的吸收系數(shù)測量提供一個總控解決方案。我們可以定制針對1μm和10.6μm的激光波長，通過測量物體溫度來確定相對較薄物體樣品（2mm-9mm）總的吸收系數(shù)。該儀器具有透射和0/45°反射模式。這項創(chuàng)新在2014年被SPIE專題報道。

激光熱度儀用于吸收的測量原理和樣機圖片

結(jié)論與展望

本文從光學(xué)材料的選擇、亞納米拋光技術(shù)、離子濺射鍍膜技術(shù)三個生產(chǎn)工藝的角度，以及光學(xué)鏡片的抗損傷閾值測試和激光吸收率測試兩個測量技術(shù)的角度系統(tǒng)闡述了波長光電的高功率激光光學(xué)的進(jìn)展。同時展望未來，也在相應(yīng)的加工和測量技術(shù)方面提出了進(jìn)一步發(fā)展的方向和挑戰(zhàn)?？萍歼M(jìn)步永無止境。隨著激光加工走向智能化，數(shù)字光學(xué)比如光束整形也走向了運用的前沿。既要承受高功率短脈沖的極限光學(xué)要求，又要實現(xiàn)光束變化整形的功能性要求，還要滿足小型化輕量化的實際需要。平面鏡頭，超結(jié)構(gòu)表面，采用半導(dǎo)體制成工藝對當(dāng)下的光學(xué)加工進(jìn)行顛覆式變革。下一代的光學(xué)鏡片和鏡頭將是革命性變化。（