中国激光 ( 如 2009 年 3 月建成的美国国家点火装置 92 [2] 束 ), 而且要提高单束激光运行通量 ( 美国国家点火装置设计指标达到 8.0J/cm [3,4] ) 和三次谐波转换效率 ( 美国国家点火装置达到 80% [3,4] ) 我国神光 Ⅱ 装置共有 9

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衿莆干
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1 第 38 卷第 7 期中国激光 Vol.38,No.7 20 年 7 月犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犔犃犛犈犚犛犑狌犾狔,20 在神光 Ⅱ 装置第九路系统开展 35 狀犿波长激光高通量传输的实验研究赵东峰王利林尊琪邵平季来林,2 蔡志坚邬融戴亚平,2 朱健强中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 ( 2 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所, 上海 ) 摘要提出一种可实现 35nm 波长激光高通量传输的终端光学组件 (FOA) 的物理设计方案, 研究了设计优化方法, 并利用神光 Ⅱ 装置第九路系统开展了实验研究实验共进行了 33 发激光发射 : 激光光束净口径 30mm, 时间脉冲宽度 3ns,053nm 波长激光能量 000~4500J 实验获得最高三次谐波转换效率 69.6% 和 35nm 波长激光传输通量 3.76J/cm 2, 同时监测到高通量激光传输引起的动态环境污染物颗粒变化数和光学元件激光诱导损伤等现象实验结果表明, 通量密度约为 3J/cm 的光学元件损伤主要是由激光传输散射鬼光束辐照材料所激发的污染物所致关键词激光器 ; 高功率激光装置 ; 终端光学组件 ; 三倍频激光 ; 激光诱导损伤中图分类号 TN24 文献标识码 A 犱狅犻 :0.3788/CJL 犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犛狋狌犱狔狅犳 35 狀犿犘狉狅狆犪犵犪狋犻狅狀狑犻狋犺犎犻犵犺犉犾狌犲狀犮犲狅狀犖狅.9 犛狔狊狋犲犿狅犳犛犌 Ⅱ 犔犪狊犲狉犉犪犮犻犾犻狋狔犣犺犪狅犇狅狀犵犳犲狀犵犆犪犻犣犺犻犼犻犪狀犠犪狀犵犔犻犠狌犚狅狀犵犔犻狀犣狌狀狇犻,2 犇犪犻犢犪狆犻狀犵犛犺犪狅犘犻狀犵,2 犑犻犔犪犻犾犻狀犣犺狌犑犻犪狀狇犻犪狀犵烄犖犪狋犻狅狀犪犾犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅狀犎犻犵犺犘狅狑犲狉犔犪狊犲狉犪狀犱犘犺狔狊犻犮狊, 犛犺犪狀犵犺犪犻犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犗狆狋犻犮狊犪狀犱犉犻狀犲犕犲犮犺犪狀犻犮狊, 烌犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊, 犛犺犪狀犵犺犪犻 20800, 犆犺犻狀犪 2 烆犛犺犪狀犵犺犪犻犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犔犪狊犲狉犘犾犪狊犿犪, 犆犺犻狀犪犃犮犪犱犲犿狔狅犳犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犘犺狔狊犻犮狊, 犛犺犪狀犵犺犪犻 20800, 犆犺犻狀犪烎犃犫狊狋狉犪犮狋犃狆犺狔狊犻犮犪犾犱犲狊犻犵狀狊犮犺犲犿犲狅犳犳犻狀犪犾狅狆狋犻犮犪犾犪狊狊犲犿犫犾狔 ( 犉犗犃 ) 狋狅犪犮犺犻犲狏犲 35 狀犿狆狉狅狆犪犵犪狋犻狅狀狑犻狋犺犺犻犵犺犳犾狌犲狀犮犲犻狊犻狀狋狉狅犱狌犮犲犱. 犜犺犲犿犲狋犺狅犱狅犳狅狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀犱犲狊犻犵狀犻狊狉犲狊犲犪狉犮犺犲犱犪狀犱狋犺犲犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾狊狋狌犱狔犻狊犮狅犿狆犾犲狋犲犱狅狀犖狅.9 狊狔狊狋犲犿狅犳犛犌 Ⅱ 犾犪狊犲狉犳犪犮犻犾犻狋狔.33 狊犺狅狋狊犺犪狏犲犫犲犲狀犳犻狉犲犱狑犻狋犺犫犲犪犿犱犻犪犿犲狋犲狉狅犳 30 犿犿, 犾犪狊犲狉狆狌犾狊犲狑犻犱狋犺狅犳 3 狀狊犪狀犱 053 狀犿犲狀犲狉犵狔犳狉狅犿 000 狋狅 4500 犑. 犐狀狋犺犲狆狉狅犮犲狊狊狅犳狋犺犲犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋, 狋犺犲犿狅狊狋犲犳犻犮犻犲狀犮狔狅犳狋犺犻狉犱犺犪狉犿狅狀犻犮犮狅狀狏犲狉狊犻狅狀犻狊 69.6% 犪狀犱狋犺犲犿犪狓犻犿狌犿犳犾狌犲狀犮犲狅犳 35 狀犿狆狉狅狆犪犵犪狋犻狅狀犻狊 3.76 犑 / 犮犿 2. 犃狀犱犲犿狆犺犪狊犻狊犻狊犵犻狏犲狀狅狀狋犺犲狀狌犿犫犲狉狅犳犮狅狀狋犪犿犻狀犪狋犻狅狀犮犺犪狀犵犲犻狀狊犻犱犲狋犺犲犉犗犃犪狀犱狋犺犲狆狉狅犮犲狊狊狅犳狋犺犲狅狆狋犻犮犪犾犱犪犿犪犵犲狅狉犻犵犻狀犪狋犻狀犵犳狉狅犿狋犺犲犺犻犵犺 2 犳犾狌犲狀犮犲狆狉狅狆犪犵犪狋犻狅狀. 犜犺犲狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋狋犺犲犳犻狉狊狋犮犪狌狊犲狋狅狋犺犲狅狆狋犻犮狊犱犪犿犪犵犲狑犻狋犺 3 犑 / 犮犿犪狋 35 狀犿犻狊犻狀犱狌犮犲犱犫狔犪犿狅狌狀狋狊狅犳犮狅狀狋犪犿犻狀犪狀狋狊狑犺犻犮犺犮狅犿犲犳狉狅犿狋犺犲狊犮犪狋犲狉犾犪狊犲狉犻狉狉犪犱犻犪狋犻狀犵狋狅犿犪狋犲狉犻犪犾狊. 犓犲狔狑狅狉犱狊犾犪狊犲狉狊 ; 犺犻犵犺狆狅狑犲狉犾犪狊犲狉犳犪犮犻犾犻狋狔 ; 犳犻狀犪犾狅狆狋犻犮狊犪狊狊犲犿犫犾狔 ; 狋犺犻狉犱犺犪狉犿狅狀犻犮犾犪狊犲狉 ; 犾犪狊犲狉犻狀犱狌犮犲犱犪犿犪犵犲犗犆犐犛犮狅犱犲狊 ;40.360; ; 引言高功率激光装置是将微焦耳量级 053nm 波长 (ω0, 基频 ) 激光经分光束口径滤波扩大和能量多程放大到千焦耳至兆焦耳量级, 再经过谐波转换和透镜聚焦于微米量级或毫米量级的实验靶上, 获得的峰值激光功率密度达到约 0 4 W/cm 2 [], 用于满足惯性约束天体物理生物材料和经典物理等领域需求研究随着物理实验研究的深入, 要求高功率激光装置提供更高的可聚焦能力和高的经典吸收效率, 这就不仅要求研制的装置具有更多的激光束数收稿日期 : ; 收到修改稿日期 : 基金项目 : 国家 863 计划 (2007AA804) 资助课题作者简介 : 赵东峰 (976 ), 男, 副研究员, 主要从事高功率激光技术方面的研究 E mail:dfzhao@siom.ac.cn

2 中国激光 ( 如 2009 年 3 月建成的美国国家点火装置 92 [2] 束 ), 而且要提高单束激光运行通量 ( 美国国家点火装置设计指标达到 8.0J/cm [3,4] ) 和三次谐波转换效率 ( 美国国家点火装置达到 80% [3,4] ) 我国神光 Ⅱ 装置共有 9 束激光聚焦于.5m 球形真空靶室或.2m.8m 舱室 X 激光真空靶室内, 从事多种激光与等离子体相互作用物理实验, 已高效稳定运行 0 年, 提供大能量打靶实验约 4000 余发次其中 8 束激光装置于 2000 年建成, 为双程放大结构, 输出激光光束净口径为 220mm, 单束 ω0 激光运行输出能量 750J, 三次谐波的转换运行效率约为 50%; 第九路多功能高能激光系统于 2006 年建成, 为单程放大结构, 输出激光光束净口径为 30mm, 单束 ω0 激光能量 5200J, 为之前 8 束的 6.9 倍, 三次谐波转换效率相当 [5,6] 我国高功率激光装置以神光 Ⅱ 装置为代表, 已为国内外相关基础研究领域科学探索和高功率激光技术发展做出贡献, 但由于色分离膜层抗损伤阈值限制, 其 35nm 波长 (3ω0, 三倍频 ) 激光运行通量只能控制在小于 J/cm 在 2007 年进行楔形镜与聚焦透镜组合的色分离实验演示时, 神光 Ⅱ 装置第九路系统在三倍频频率转换晶体处激光通量达到 2.8J/cm [7] 因此, 由于装置三倍频激光运行通量相对较低, 在一定程度上制约了相关物理实验研究的深入, 也成为装置性能提升的瓶颈, 必须研究攻关解决本文以三倍频激光传输通量高于 3J/cm 2 为目标, 提出以 type Ⅰ/type ⅡKDP 晶体角度失谐楔形镜 + 聚焦透镜组合光束取样光栅 (BSG) 与主防溅射板结合的基本设计思路, 以杂散光分布焦斑分布和犅积分增量为优化条件, 完成了可实现 3ω0 高通量传输的终端光学组件 (FOA) 物理设计, 重点开展了实验研究经过 33 发次大能量激光实验测试, 3ω0 在谐波转换晶体处最高输出通量达到 3.76J/cm 2, 激光发射前后产生的动态环境污染物颗粒数约为 700, 从实验数据分析结果可以跟踪 FOA 中光学元件激光诱导损伤过程 2 终端光学组件设计高功率激光装置 FOA 对实现 3ω0 高通量传输是至关重要的它集焦斑控制真空密封谐波转换谐波分离激光聚焦能量采样和防靶碎片溅射等功能于一体, 并融合温度气流和压强平衡等控制, 包括了连续相板 (CPP) 平板窗口 type Ⅰ + type ⅡKDP 晶体楔形镜聚焦透镜 BSG/ 主防溅射板次防溅射板能量采样反射镜和采样真空窗口等 0 块光学元件, 物理设计排布如图所示其中谐波转换采用 type Ⅰ2.5mm KDP 晶体和 type Ⅱ0.5mm KDP 晶体组合的角度失谐方案, 来满足方口径和较高通量的要求 ; 谐波分离采用棱镜色散原理, 由楔形镜结合聚焦透镜的方案实现图实现 3ω0 传输的 FOA 物理设计示意图 Fig. PhysicaldesignschemeofFOAtoachieve35nmpropagation FOA 设计中最重要的数值模拟分析包括杂散光分布定量数值模拟焦斑分布和犅积分增量设计与控制反射率约为 0.5% 但在 FOA 工作过程中由于多孔 Sol gel 减反膜吸附杂质颗粒, 剩余反射率将逐步提升到 %~2%, 甚至于 3%~4% 的不可接受水平 2. 杂散光分布 FOA 中各光学元件均涂有 ω0,2ω0 ( 波长对高功率激光装置输出千焦耳以上激光能量来说, 光学元件微弱的多次反射会聚, 将产生大量的杂散 527nm, 二倍频 ) 和 3ω0 的 Sol gel 减反膜, 初始剩余光聚焦点, 即鬼像定义狀阶鬼像为经过狀次

3 赵东峰等 : 在神光 Ⅱ 装置第九路系统开展 35nm 波长激光高通量传输的实验研究反射会聚产生的鬼像鬼像位置的计算实际上是计算光线在多个光学元件表面之间反射聚焦后的成像问题, 其不同的能量密度辐照在材料上会 [8] 产生不同程度的破坏利用成熟商用光学设计分析软件进行杂散光分布建模分析, 分析的条件为 : )3ω0 通量为 4J/cm 2, 激光运行的三次谐波转换效率 60%, 入射激光的 ω0 通量为 6.7J/cm 2, 时间脉宽 3ns; 2) 入射 ω0 近场为超高斯光束, 尺寸为 30mm 30mm; 3) 考虑到 Sol gel 减反膜在工作一段时间后性能会逐渐退化, 其透射率由 99.5% 减弱到 99%; 4) 组件分析考虑到四阶鬼像 ( 因为第四阶鬼像能量为 0~00μJ 量级, 对材料存在一定破坏, 而第五阶鬼像能量只有 ~0.μJ 量级, 对材料破坏影响可以忽略 ); 5) 聚焦透镜的调焦行程为 ±5mm 最终分析确定的鬼像分布情况如图 2 所示图 2 FOA 杂散光分布优化 Fig.2 OptimizationdesignofFOAghost 对于杂散光分布图进行 3 点说明 :) 实心图样为 ω0 鬼像点, 空心图样为 3ω0 鬼像点 (2ω0 的在 ω0 与 3ω0 之间, 未标识出 );2) 各阶鬼像图标为 : 长方形为一阶 ( 已偏离主光路较远, 图中未能标识出 ) 圆形为二阶三角形为三阶正方形为四阶 ; 3) 各元件表面虚线为分析计算的安全区, 即离元件表面 0mm 通过杂散光分析确定了 FOA 的物理设计排布图, 即各个光学元件的排布间距和部分元件与光轴倾斜角度, 以及聚焦透镜为非球面弯月型的基本参数图 3 高斯光束分解追迹以及叠加示意图 2.2 焦斑分布 Fig.3 Schemeofdecomposition,tranceand 焦斑分布决定了激光远场可聚焦能力, 是反映 superpositionofgaussianbeam 高功率激光装置激光传输性能的重要指标之一, 而熔石英材料光学元件透过波前为 λ/3 (λ = 其中关键是取决于实现 3ω0 传输聚焦的 FOA 性 632.8nm), 晶体和次防溅射板透过波前为 λ 能分析采用的方法是将任意一个输入光场分解为由于杂散光分析时确定了弯月型聚焦透镜的基多个加权的高斯光束, 然后对每一个高斯子光束进本参数和 BSG/ 主防溅射板与次防溅射板的倾斜角行追迹, 最后在观测面上对所有高斯光束进行相干度, 对焦斑分布的优化方法有 :) 修正弯月型透镜叠加, 这样就可以获得光路中任意一个位置的振幅的非球面系数 ;2) 减小聚焦光路中 BSG/ 主防溅射波前以及强度信息, 其原理示意图如图 3 所示板厚度和次防溅射板厚度 ;3) 微调聚焦透镜与分析 FOA 焦斑分布条件为 :) 入射 ω0 为超 BSG/ 主防溅射板和次防溅射板的相对角度通过高斯光束, 尺寸为 30mm 30mm;2)FOA 中各不同条件的优化, 聚焦透镜非球面系数修正为

4 中国激１１８其光轴相对ＢＳＧ主防溅射板和次防溅射板反向偏转１６０μ ｄ可以平衡远场像散获得较好光３实验研究的焦斑分布结果如图４所示最终焦斑可聚焦能３１实验装置三倍频高通量传输实验是利用神光 Ⅱ 装置第九力参数为９５激光焦斑能量集中于２２犇犔衍射极限公式表达为２４４ λ犳犇中聚焦透镜焦距路系统和Ｘ激光真空靶室进行的主要研究内容是２２３４ｍｍ同时以焦斑相对变大０５犇犔为边界条件聚焦透镜的入射激光光轴可倾斜角度范围为状况和３ω０光学元件能量损耗等方面实验方案和 ±１８０μ ｄ１ω０能量输出在１０００４５００Ｊ间准方波时间脉冲宽度为３ｎ光束净口径为３１０ｍｍ实验过程中三次谐波转换效率穿５００μｍ孔靶效率元件损坏实验现场如图５６所示实验共进行了３３发全部图４焦斑分布优化Ｆ４ＯｐｍｚｏｎｄｅＦＯＡｏｃｕｇｇｎｏ图５３ω０高通量传输实验方案２３犅积分增量犅积分是用来度量由于光学材料非线性折射率Ｆ５Ｅｘｐｅｍｅｎｃｈｅｍｅｏ３ω０ｈｐｏｗｅｇｇｈｏｐｇｏｎｐ狀２引发的光束传输自相位调制和小尺度自聚焦非线性水平的评价参数也通常用作设计和评价激光系统总体性能的判据之一因此可作为ＦＯＡ实现３ω０安全传输的重要指标分析时ＦＯＡ的激光传输强度为常数同时非线性晶体和硼硅酸盐材料次防溅射板均以熔石英材料考虑其狀２０８８１０１３并且三次谐波转换后的剩余１ω０和２ω０各占５０则ＦＯＡ的犅积分增量计算公式为犔狀２８２犅犔 π １０７犘狕ｄ狕０狀 λ０犆０犅犅１ω０犅２ω０犅３ω０１２式中犔犆狕狀２均取ＣＧＳＥ单位制犘取实用单位Ｗｃｍ２犘是常量即驱动器输出的功率密度图６３ω０高通量传输实验现场图Ｆ６Ｅｘｐｅｍｅｎｅｄｏ３ω０ｈｐｏｗｅｐｏｐｇｏｎｇｇｈ犅１ω０为１ω０犅积分增量犅２ω０为２ω０犅积分增量犅３ω０为３ω０犅积分增量计算参数如表１所示可计算得两个犅积分增量净口径内平均犅积分增量为１３０７峰值犅积分增量为１８０１表１犅积分增量计算参数Ｔｂｅ１犅ｎｅｇｎｃｅｍｅｎｏｃｃｕｅｐｍｅｅｃｍ２３ω０ｖｅｕｅｎｃｅＪ３ω０ｐｕｅｗｄｈｎＨｍｏｎｃｃｏｎｖｅｏｎｅｃｅｎｃｙＢｅｍｎｇｃｏＯｐｃｅｎｇｈｍｍ４３图７１ω０能量和３ω０能量三次谐波转换效率实验参数６０Ｆ７Ｅｘｐｅｍｅｎｐｍｅｅｏ１ω０ｎｄ３ω０ｅｎｅｇｇｙ０６ｎｄｈｄｈｍｏｎｃｃｏｎｖｅｏｎｅｃｅｎｃｙ１７５７０７０２００１４

5 赵东峰等 : 在神光 Ⅱ 装置第九路系统开展 35nm 波长激光高通量传输的实验研究 FOA3ω0 终端输出到靶能量约 000J 和约 600J 分别有 9 发, 约 2300J 有 4 发具体实验发次的 ω0 能量 3ω0 能量和三次谐波转换效率如图 7 所示 3.2 实验实验装置总体损耗测试, 即在 X 激光真空靶室不放置实验靶, 入射激光经过 FOA 后全部注入能量卡计 2 进行全能量定标或实验后期孔靶穿孔效率测试, 卡计 2 能量读取数与前面 ω0 取样镜分光能量卡计测得的数值的比值, 由减该比值再乘百分数获得损耗数值卡计定标实验在前期光学元件未损伤时进行, 多发次定标数值很稳定, 均为 35% 同样方法, 在第 27 发光学元件出现损伤并未明显增长时, 测试值为 37% 为测试激光入射 FOA 前的损耗, 即 ω0 导光反射镜的损耗, 将能量卡计 2 放置在 FOA 与 M 间, 在第 7 发测得为 5.5% 这里, 测试实验装置总体损耗时能量卡计 2 前的真空窗口为未镀膜的石英玻璃, 单面透射率为 96% 实验在第 0, 发入射 ω0 能量分别为 J 和 J 进行了正入射 500μm 孔靶 ( 相当于 3ω0 衍射极限焦斑的 27 倍, 谐波转换后剩表 2 实验过程中光学元件的损伤状况 Table2 Situationofopticsdamageatexperiment 余的 ω0 和 2ω0 被靶面阻挡, 未进入能量卡计 2) 的穿孔效率测试, 由能量卡计 2 和 FOA 内能量卡计的数值比较, 分别为 96.2% 和 94.9% 在第 23 发和第 24 发入射基频激光能量分别为 430.7J 和 4045J 时, 再次进行了穿孔效率测试, 测得效率分别为 98.6% 和 97.5% 同时每次 4000J 以上穿孔实验后对读数卡计补做对标实验实验过程中光学元件损伤状况是实时观察的, 能很清楚观察到元件损伤状况及增长与激光入射通量的关系其中在前发,3ω0 传输通量小于.5J/cm 2 时, 光学元件未观察到损伤, 而在第 2 发大于 2.0J/cm 2 时, 非球面聚焦透镜和楔形镜出现了个别损伤点后续实验维持在小于 3.0J/cm 2 过程中, 非球面聚焦透镜楔形镜 BSG/ 主防溅射板次防溅射板的损伤点数量和程度均略有增加和增长从第 9 发 ω0 入射能量 J 开始,3ω0 传输通量为大于 3.0J/cm 2, 相应元件损伤点在第 23 发出现了较严重损伤, 但损伤状况一直维持到第 33 发具体的光学元件损伤过程如表 2 所示 Shots Laserenergy/J Damagesituation ω0:2500 3ω0:000 Nodamage 2 ω0:3383 3ω0:703 Focuslens:3damagespotsontheclearaperture Wedgedplat:4damagespots(about mm)ontheclearaperture 6 ω0:3489 3ω0:63 Focuslens:damagespotsaddto9ontheclearaperture Wedgedplat:have2damagespotsanddamagescratchontheclearaperture BSG/MDS:3damagespots(about mm)ontheclearaperture 23 ω0:4375 3ω0:234 Focuslens:have30damagespotsand3damagescratchesontheclearaperture Wedgedplat:have30damagespotsand4damagescratches (about0 mm)ontheclear aperture BSG/MDSandDDS:havemanydamagespots(about 2~3mm)ontheclearaperture 32 ω0:4497 3ω0:2408 DamageDDSischangedanditisnotdamage,butattheSol gelfilmthereareimprintof lasernearfieldandfrontopticsdamagemorphology 3ω0 谐波转换效率测试办法为能量卡计 2 与能量卡计的实测比值, 再结合 FOA 损耗因子进行修正实验安排从第 7 发开始测试, 结合相关实验共进行了 23 发, 具体参数如图 7 所示, 其中实测得最高三次谐波转换效率是第 24 发, 其效率为 58.9% ( 入射 ω0 能量为 4045J), 而最高 3ω0FOA 输出能量是第 32 发的 2408J( 入射 ω0 能量为 J) 另外, 在实验过程中利用颗粒计监测了 FOA 在激光打靶前后的动态环境变化, 污染颗粒数在激光发射前约 300 个, 激光发射后最大为 20 万个, 前后增加了近 3 个数量级 4 实验结果与分析 4. 光学元件犛狅犾犵犲犾膜透射率装置总体损耗在光学元件损伤前测试为 35%, 光学元件损伤后测试为 37% 实验中三倍频光学元件均为 Sol gel 减反膜, 包括 :type Ⅰ +type Ⅱ KDP 晶体楔形镜非球面聚焦透镜 BSG/ 主防溅射板和次防溅射板, 为便于分析, 认为元件透射率一致现设 FOA 的整体透射率为犜 FOA, 光学元件透

6 中国激光射率为犜, 可表示为犜 FOA = 犜 target/( 犜 M 犜 VW), (3) 犜 = 犜 FOA/( 犜 KDP 犜 CPP 犜 window) -6, (4) 式中犜 target 表示装置总体透射率, 犜 M 表示靶场反射镜传输效率, 犜 VW 表示能量卡计 2 前的未镀膜熔石英窗口玻璃的透射率, 犜 KDP 表示 KDP 晶体材料透射率, 犜 CPP 表示 CPP 基板透射率, 犜 window 表示真空窗口透射率其中 type Ⅰ/type ⅡKDP 晶体材料对激光吸收效率为 6%, 而 CPP 基板和真空窗口均镀基频激光减反介质膜, 实验后仪器测试与实验前一致, 透射率为 99.5% 将实验测得的犜 target 在元件损伤前后为 65% 和 63%, 犜 M 为 94.5%, 代入 (3),(4) 式, 计算结果如表 3 所示表 3 FOA 和光学元件 Sol gel 膜透射率 Table3 Sol gelfilmtransmissionoffoaandoptics Undamage/% Damage/% FOA Sol gelfilm 三次谐波转换效率实验测得三倍频激光在 FOA 输出的谐波到靶面转换效率最高为第 24 发的 58.9%, 此时光学元件已损伤较严重, 以 4. 节分析的光学元件每个光学表面透射率 95.9% 进行计算, 即将实验测得数据乘以.8 因子, 则 type Ⅰ +type ⅡKDP 晶体输出位置的三次谐波转换效率最高为 69.6% 同时实验过程中 type Ⅰ+type ⅡKDP 晶体输出位置的谐波转换效率经数据处理, 其数值在 60%~70% 之间 4.3 光学元件激光诱导损伤利用 Msu25D 高分辨显微投影成像系统检测实验中光学元件损伤情况, 发现 CPP 基板平板窗口 type Ⅰ+type ⅡKDP 晶体光束取样反射镜和取样窗口等 6 块光学元件没有损伤点, 而楔形镜聚焦透镜 BSG/ 主防溅射板和次防溅射板等 4 块光学元件存在较多损伤点, 尤其 BSG/ 主防溅射板中非光栅刻蚀面最严重, 其损伤面积约占光束口径的 3.% 各光学元件的损伤形态有 : 在激光辐照区域表面点状损伤或块状剥离长划痕体内丝状, 在激光未辐照区域表面月晕状损伤和表面膜层粘污, 各损伤形态如图 8 所示光学元件上各损伤形态存在不同诱导因素 : 激光辐照区域的表面点状损伤点测度在毫米量级的是由大尺度金属颗粒污染和受前损点激光近场调制引起的, 而百微米量级及以下的为小尺度金属颗粒或图 8 光学元件激光诱导损伤形态 (a) 激光辐照区域点状损伤 ;(b) 激光辐照区域长划痕损伤 ;(c) 激光辐照区域体内丝状损伤 ;(d) 激光未辐照区域月晕状损伤 ;(e) 激光未辐照区域表面膜层粘污 Fig.8 Surfacedamage morphologiesinduced bylaser. (a)pointdamagelocated ontheclearaperture brim;(b)scratchdamageontheclearaperture; (c)filiform damagelocatedontheclearaperture brim;(d)surface mooning damageoutsideclear aperture;(e)surfacefilm contaminationoutside clearaperturebrim 溶胶状液滴污染而引起的 ; 激光辐照区域的表面划痕是由光学元件基板的表面划痕和加工亚表面缺陷引起的, 这些损伤划痕的位置和尺度能与基板验收时相对应 ; 激光辐照区域的体内丝状损伤是激光近场局部峰值功率密度过大, 引起材料内小尺度自聚焦的破坏, 在聚焦透镜有 9 处楔形镜有 3 处 ; 激光未辐照区域的月晕状损伤和表面膜层粘污是污染颗粒或溶胶状液滴的污染物受到杂散光辐照而引起的, 其中月晕状损伤是光学元件膜层的损伤, 表面膜层粘污只是污染物受辐照的烧蚀状, 未引起 Sol gel 膜层破坏另外, 在光学元件激光未辐照区未发现点状损伤, 可以认为杂散光的鬼像点已经很好地被规避 4.4 工作环境污染分析利用能量色散 X 射线荧光光谱仪对光学元件的激光辐照损伤点激光辐照未损伤区激光未辐照区, 实验的 FOA 内机械材料硫化硅胶电导线, 以

7 赵东峰等 : 在神光 Ⅱ 装置第九路系统开展 35nm 波长激光高通量传输的实验研究及未进行实验的石英玻璃和 Sol gel 膜等样品进行测试比较从结果分析可以发现, 实验中所用的光学元件中所检测出的金属元素, 较未进行实验的石英玻璃新增了硫磷钾钙锰铝和钯等元素, 而所含的铁和铜元素在量上有明显增加, 其中铝和钯是 Sol gel 膜增加的元素, 这在未进行实验的 Sol gel 膜样品能比较出, 而硫磷和钾元素是用于光学元件固定装夹的硫化硅胶成分, 另外铁铜就是 FOA 中相应机械材料溅射污染而增加的, 具体以聚焦透镜检测结果为例, 如图 9 所示图 9 聚焦透镜受污染的分析示例 Fig.9 Exampleofanalysisonfocuslenscontamination 这是由于 FOA 在物理设计时有意将上万个杂有作用, 但效果不明显这些从实验获得三倍频晶散光偏离激光光轴而辐照在光学元件通光口径以体本身最高谐波转换效率 69.6% 和通量为外, 致使部分机械材料电导线和硅橡胶受到一定通 3.76J/cm 2, 实验中全部 4 发次穿 500μm 孔靶效率量杂散光辐照, 产生了污染颗粒或溶胶状液滴, 成为均在 94% 以上, 以及光学元件激光辐照区外损伤状光学元件受污染的源, 其中受污染区域在高通量激态和光学元件体内丝状损伤数量等方面, 就能得到光辐照时会局部受热, 致使光学元件表面热熔或炸很好验证 [,9,0] 裂, 成为损伤点这在 4.3 节光学元件激光诱 2) 光学元件 Sol gel 膜透射率在损伤前为导损伤形态和污染颗粒数激光发射前后变化量都能 96.3%, 在损伤后为 95.9%, 相差 0.4%, 主要是光学得到证实元件受动态环境污染物和光学元件损伤引起的可以说明, 实验中 FOA 环境为真空度 Pa, 纯 5 结论度 99.99% 和湿度不大于的氮气, 对 Sol gel 完成了基于杂散光分布焦斑分布和犅积分增 [] 膜性能稳定具有一定作用但与 Wegner 等提量为优化条件可实现大于 3J/cm 传输的出必须用干燥纯空气才能维持 Sol gel 膜性能未相 FOA 分析与研制, 并利用了神光 Ⅱ 装置开展了三次谐波转换效率光学元件透射率三倍频激光穿孔效率光学元件损伤状态和工作环境污染颗粒数监测等相关实验研究由实验结果可得到以下结论 : ) 物理设计以杂散光分布焦斑分布和犅积分增量为优化条件是可行的, 并且实验结果与理论分析相符合, 另外实验中应用的气流吹除污染物系统吻合, 有待进一步实验验证 3) 从光学元件的激光辐照区均布大量尺度百微米量级及以下的点状损伤激光未辐照区均布大量月晕状损伤点或表面膜层粘污可看出, 在引起光学元件各种损伤因素中, 动态环境污染物极可能是引起元件表面损伤并逐步增强破坏力度的首要因素, 而污染物主要为杂散激光辐照机械金属材料光

8 学元件侧边封装硅胶和电导线产生的气溶胶和挥发物同时, 光学元件加工过程中残余的亚表面缺陷, 在激光辐照下形成毫米尺度的损伤点也是重要因素另外, 实验中发现的气溶胶状污染物是激光与材料相互作用产生的, 其特性包括 : 成分射程颗粒度密度, 以及与光学元件损伤关系, 未能很好认识, 也没有相关文献报道和分析今后实验必须对产生的气溶胶状污染物加强抑制和排除, 其中抑制方式将从三方面考虑 :) 结构设计时有选择性地使用材料和方式, 并在百级超净室按特定规程装校 ;2) 增加特定材料和结构方式的杂散光吸收阱, 避免,2, 3 级杂散光直接辐照机械金属材料 ;3) 改进光学元件侧边硅胶封装方式参考文献 W.Koechner.Solid State Laser Engineering [M ].Beijing: WorldBookPublishingCompanyBeijing,2005 W.Koechner. 固态激光工程 [M]. 北京 : 世界图书出版公司北京公司,2005 2S.H.Glenzer,B.J.MacGowan,P.Michel 犲狋犪犾..Symmetric inertialconfinementfusionimplosionsatultra highlaserenergiers [J]. 犛犮犻犲狀犮犲,200,327(5970):228~23 中国激光 3C.A.Haynam,P.J.Wegner,J.M.Auerbach 犲狋犪犾..National ignitionfacilitylaserperformancestatus[j]. 犃狆狆犾. 犗狆狋.,2007, 46(6):3276~3303 4B.M.Van Wonterghem,S.C.Burkhart,C.A.Haynam 犲狋犪犾..Nationalignition facility commissioning and performance [C]. 犛犘犐犈,2004,534:55~65 5LinZunqi,WangShiji,FanDianyuan 犲狋犪犾..SG Ⅱlaserfacility improvementanditsprecisionprogress [J]. 犆犺犻狀犲狊犲犑. 犔犪狊犲狉狊, 200, 犅 0(S):Ⅳ6~Ⅳ6 6LinZunqi.Progressoflaserfusion[J]. 犆犺犻狀犲狊犲犑. 犔犪狊犲狉狊,200, 37(9):2202~2207 林尊琪. 激光核聚变的发展 [J]. 中国激光,200,37(9):2202~ Zhao Dongfeng,Gu Zhen,ShaoPing 犲狋犪犾..Researchonthe thirdharmonicspliterbasedonprism [J]. 犆犺犻狀犲狊犲犑. 犔犪狊犲狉狊, 2007,34(5):637~640 赵东峰, 顾震, 邵平等. 基于棱镜实现三倍频谐波分离 [J]. 中国激光,2007,34(5):637~640 8R.E.English,J.I. Miler,J.Schweyen.Ghostreflection analysisforthemainlaserofthenationalignitionfacility [C]. 犛犘犐犈,998,3482:748~753 9S.Papemov,A.W.Schmid.Laser inducedsurfacedamageof opticalmaterials:absorption sources,initiation,growth,and mitigation [C]. 犛犘犐犈,2008,732:732J 0 M.J.Soileau.40yearretrospectiveoffundamentalmechanisms [C]. 犛犘犐犈,2008,732:7320 P.Wegner,J.Auerbach,T.Biesiada 犲狋犪犾.NIFfinaloptics system:frequencyconversionandbeamconditioning[c]. 犛犘犐犈, 2004,534:80~ 89 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 20 年纪念光学学报创刊 30 周年特刊征稿启事创刊于 98 年的光学学报是中国光学学会主办的第一本期刊 30 年来, 在历任主编王大珩院士王之江院士王润文研究员徐至展院士和现任主编曹健林研究员的领导下, 光学学报取得了一系列的成绩 200 年影响因子达到 2.0, 在国内物理类科技期刊中排名第一, 连续 7 年荣获百种中国杰出学术期刊, 被世界重要检索系统 EI,CA,AJ 和 INSPEC 等收录光学学报始终致力于为我国光学科技人员与国内外同行进行学术交流开展学术讨论以跟踪学科前沿和发展我国光学事业服务光学学报刊登的论文集中反映了中国光学科技的新概念新成果和新进展, 其内容主要包括光纤光学与光通信激光光学信息光学光学测量光谱学薄膜光学量子光学非线性光学光学器件和材料等为了纪念光学学报创刊 30 周年, 编辑部计划在 20 年 9 月正刊上出版纪念光学学报创刊 30 周年特刊, 现特向国内外广大专家征集研究快报研究论文和综述, 以期集中反映我国近年来在光学及其相关领域取得的重大成就征稿范围 : 光学及其相关领域稿件类型 : 简要报道课题组最新研究成果的研究快报 ; 2 具有较高的创新性的原创研究论文 ; 3 国内外知名专家亲自撰写的综述文章特刊稿件截稿日期 :20 年 7 月 0 日投稿方式以及格式 : 可通过中国光学期刊网网上投稿系统直接上传稿件 ( 请在留言中标明纪念光学学报创刊 30 周年特刊投稿 ), 详情请参见 htp: 本特刊投稿文体为中文, 电子版请使用 MS word 格式有任何问题请咨询马沂编辑,E mail:mayi@siom.ac.cn, 电话 :

殐殐 27 1 Vol.27 No ImagingScienceandPhotochemistry Jan.,2009 檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐 *O! "# #B) 1,CDE 1, 2, 1 (1., ;2., ) $ %:3 J = 2J4

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