[发明专利]一种大口径光学元件激光预处理的方法及装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及光学材料激光预处理领域，特别是一种通过激光能量回收重复利用来大幅度提高大口径光学元件激光预处理速度的方法及装置。

背景技术

大口径光学元件是各类大型激光系统中不可缺少的关键元件。其光学特性是否能够满足设计要求常常是相关大型激光系统能否成功运行的关键。大口径光学元件，特别是用于强激光系统的大口径光学元件，通常对其光学吸收特性及微观缺陷要求较高，一方面要求平均吸收较小，另一方面希望吸收特性比较均匀，尽量减少局部较大吸收缺陷的存在，以免产生局部激光破坏或者局部激光光束质量的下降。

改善大口径光学元件吸收特性及微观缺陷的有效方法之一就是激光预处理技术。该技术采用合适的激光预处理工艺，对大口径光学元件在合适的激光参数下进行100%覆盖的表面预处理，从而大幅度提高该光学元件的抗激光损伤能力。这种激光预处理工艺和设备不仅是提高激光薄膜激光损伤阈值的常用手段，更是大型强激光工程系统中必备的工具。

对于光学元件，特别是对用于强激光系统的微弱吸收光学元件，其激光预处理系统对所用激光器的性能要求很高，特别是系统输送到被处理样品表面的激光功率密度或能量密度必须达到合理的水平：激光预处理一般都是在“亚破坏阈值”条件下进行，即样品表面的激光功率密度或能量密度低于但却接近被处理元件激光损伤阈值。

由于用于大型强激光系统中的微弱吸收光学元件通常破坏阈值要求较高，通常的商用激光器必须聚焦在样品表面上才能够满足激光预处理所要求的激光功率或能量密度要求。例如，对纳秒量级的波长1.06微米的强激光元件，普通商用激光器一般要在样品表面聚焦到1毫米 x 1毫米以下才能满足激光预处理的要求。

这样一来，激光应用于大口径光学元件的预处理时将会受到很大限制。主要原因是预处理速度太慢。一方面由于激光器一般要在样品表面聚焦到很小，以达到预处理所要求的激光功率密度或能量密度；另一方面激光预处理工艺通常需要在同一点辐照多次，同时又要对样品上每一点都覆盖到，因此需要进行二维扫描。这样的二维扫描过程通常需要花费很长的时间。

表1计算了在不同激光处理工艺条件下完成一件面积为（1米 X 1米）的光学元件激光处理所需要的时间，表中时间单位为小时。由表中可以看出，使用1Hz重复频率激光器，即使光斑尺寸为1毫米X 1毫米，完成一件面积为（1米 X 1米）的光学元件的预处理所需要的时间分别为：当采用辐照模式1-on-1时需要277.78小时；当采用辐照模式N-on-1（N=5）时需要1388.89小时；当采用辐照模式R-on-1（R=10）时需要2777.78小时。

当使用30Hz重复频率激光器，光斑尺寸保持为1毫米X 1毫米，完成一件面积为（1米 X 1米）的光学元件的预处理所需要的时间分别为：当采用辐照模式1-on-1时需要9.26小时；当采用辐照模式N-on-1（N=5）时需要46.30小时；当采用辐照模式R-on-1（R=10）时需要92.59小时。

这里特别需要指出的是，科学研究表明在多数情况下激光预处理效果以R-on-1的辐照模式最为显著。 而上述计算表明，R-on-1的辐照模式恰恰也是费时最长的激光预处理模式。

由以上计算及分析可以看出，激光预处理技术直接用于大口径光学元件的处理在实际应用中耗时过长，特别是当采用R-on-1的辐照模式时，距离实用要求还相差甚远。

表1.在不同激光处理工艺条件下完成一件（1米 X 1米）光学元件激光处理所需要的时间，单位为小时。（说明：辐照模式1-on-1是指对样品的每一点只在特定激光能量密度下辐照处理一次；辐照模式N-on-1是指对样品的每一点都在特定的激光能量密度下辐照处理N次，表中计算处理时间时使用了N=5；辐照模式R-on-1是指对样品的每一点都按从小到大不同的激光能量密度进行辐照处理R次，表中计算处理时间时使用了R=10）。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大口径光学元件激光预处理的方法及装置，解决利用激光预处理技术提高大口径光学元件激光损伤阈值过程中因为耗时过长而不能满足实际使用要求的问题。

本发明的技术方案为：