高功率激光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的關鍵核心元件，對於激光系統有著重要的影響。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，對於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製造與檢測。

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引言

近年來，高功率激光、深紫外/X射線學等領域的發展，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，激光損傷閾值大於40J/cm2的鍍膜技術以及吸收率低於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，實現緻密而精準的膜層，至關重要。與此同時，能夠定量地測量吸收率、激光損傷閾值，並且研製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於厚金屬焊接、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焊不透，焊縫有凸起、小孔等現象；（3）船舶傳動軸的修復與表面處理。對於高功率紫外和綠光激光，主要用於精細微加工，如切割OLED顯示屏等。紫外激光聚焦光斑小，切割後的屏幕無裂紋和崩邊。南京波長光電公司最新研製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定性，解決了大屏切割難的問題。

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高功率激光光學元件的加工

2.1

光學材料的選擇

對於紫外、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。相比較於K9玻璃，石英玻璃有更低的熱膨脹係數，更少的雜質含量，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,國內廠家更傾向於國外的賀利氏和康寧材料。

表一 ：各種玻璃參數對比

2.2

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構、無缺陷，能消除加工損傷層。關鍵在最後一道工序：超精密拋光技術。波長光電的超光滑表面加工工藝結合了傳統的機械去除法以及磁性拋光法，達到表面粗糙度低於5 ?。原子力顯微鏡的測試結果如圖二。

圖一 超光滑表面測試結果

2.3

離子濺射鍍膜技術

製備激光薄膜通常是用電子槍蒸發或者離子束輔助電子槍蒸發來製備的，薄膜中容易產生節瘤缺陷和高溫成膜導致的微觀結晶顆粒的存在，難以製備出高質量激光薄膜，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，可以獲得無定形態微觀結構的薄膜，；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製備了氧化鉿和二氧化硅激光增透膜，並對此薄膜進行了光學性質、結構特性以及激光損傷性能進行了研究。結果表明，用雙離子束反映濺射沉積的激光薄膜不僅膜層緻密，而且具有極低的散射和吸收，均勻的非晶結構，雜質缺陷少，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，脈衝寬度為10 ns，樣品的測試採用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果

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高功率激光光學元件的測量

波長光電-西安工業大學激光器件可靠性測試中心致力於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判別並加速壽命測試等，為元件的定量評估提供可參考的路徑。

3.1

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國際標準ISO11254建立，主要用於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，實現了數字化、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；擴展功能模塊包括複核校驗模塊、光譜分析與判別模塊、聲譜分析與判別模塊、質譜分析及判別模塊。

該系統具有一下三種特點及優勢：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範圍，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範圍，為整體系統的測試穩定提供了有力的保障。其次，高倍率的樣品在線檢測複核系統。由於工作距的限制，目前測試系統中圖像判別法採用的CCD放大倍率只能達到50倍以下，不滿足國際標準規定的100倍的要求。對此，系統配備了高倍變焦顯微鏡校驗系統，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複查，保證了對準精度。另外，雙波長共光路的系統設計。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，採用兩台激光器，經過合色稜鏡，合併在一束光路上，簡化了光學系統結構，可對同一點，實現雙波長激光的同時預處理。

3.2

激光吸收率測試

波長光電與新加坡科研局合作開發的MatCaloreTM是世界上第一款商業光學元件吸收測量系統。滿足ISO測量標準11551，該儀器是基於量熱學設計的。準直激光束照射在光學元件上，一部分激光能量被吸收後轉化為熱量，此部分熱量表現為被測樣品件的溫升。基於雙感測器差別溫度測量進一步降低系統誤差，基於三點演算法的計算軟體實現了自動化功能，為工廠車間的吸收係數測量提供一個總控解決方案。我們可以定製針對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）總的吸收係數。該儀器具有透射和0/45°反射模式。這項創新在2014年被SPIE專題報道。

激光熱度儀用於吸收的測量原理和樣機圖片

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結論與展望

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展的方向和挑戰。科技進步永無止境。隨著激光加工走向智能化，數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衝的極限光學要求，又要實現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，超結構表面，採用半導體製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。波長光電正在積極準備，迎接新趨勢的到來。（作者：王堅，吳來富，李全民，王勁，嚴會文，黃勝弟）

來源：南京波長光電集團

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