光學元件及其測量技術

摘要：高功率激光器具有廣泛的應用，包括精密工業(yè)加工、激光成像/測距，以及強場物理學應用等。光學鏡片與鏡頭作為激光光學系統(tǒng)的關鍵核心元件，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來闡述光學元件的制造與檢測。

引言

近年來，高功率激光、深紫外/X射線學等領域的發(fā)展，不僅延伸了光學材料的選擇，也對光學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突破，實現(xiàn)致密而精準的膜層，至關重要。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準接軌的測試儀器重要而迫切。

在應用領域，YAG高功率激光應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）船舶傳動軸的修復與表面處理。對于高功率紫外和綠光激光，主要用于精細微加工，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。

高功率激光光學元件的加工

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光學材料的選擇

對于紫外、YAG光纖和半導體激光器等，常用的光學元件材料有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用領域,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

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亞納米拋光技術

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。關鍵在最后一道工序：超精密拋光技術。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，達到表面粗糙度低于5  。原子力顯微鏡的測試結(jié)果如圖二。

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離子濺射鍍膜技術

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。而離子束反應濺射鍍膜技術，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，；而且能將光學吸收降到最低的水平。

我們用離子束反應濺射沉積設備制備了氧化鉿和二氧化硅激光增透膜，并對此薄膜進行了光學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特性以及激光損傷性能進行了研究。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

高功率激光光學元件的測量

波長光電-西安工業(yè)大學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定，除了可以對激光器件進行預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。

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光學鏡片的抗損傷閾值測試

光學薄膜激光損傷閾值測試儀依據(jù)國際標準ISO11254建立，主要用于薄膜或光學元件表面強激光承受能力的測試，如圖三所示。該儀器可進行：1、光學元件或薄膜激光損傷閾值及損傷斑的測試；2、激光預處理，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。基本功能模塊包含散射判別模塊與圖像判別模塊；擴展功能模塊包括復核校驗模塊、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放大倍率只能達到50倍以下，不滿足國際標準規(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行在線復查，保證了對準精度。另外，雙波長共光路的系統(tǒng)設計。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，簡化了光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可對同一點，實現(xiàn)雙波長激光的同時預處理。

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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)光學元件吸收測量系統(tǒng)。滿足ISO測量標準11551，該儀器是基于量熱學設計的。準直激光束照射在光學元件上，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。基于雙傳感器差別溫度測量進一步降低系統(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

本文從光學材料的選擇、亞納米拋光技術、離子濺射鍍膜技術三個生產(chǎn)工藝的角度，以及光學鏡片的抗損傷閾值測試和激光吸收率測試兩個測量技術的角度系統(tǒng)闡述了波長光電的高功率激光光學的進展。同時展望未來，也在相應的加工和測量技術方面提出了進一步發(fā)展的方向和挑戰(zhàn)?？萍歼M步永無止境。隨著激光加工走向智能化，數(shù)字光學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，采用半導體制成工藝對當下的光學加工進行顛覆式變革。下一代的光學鏡片和鏡頭將是革命性變化。（