劉 浩, 潘 峰，陳松林, 王 震，馬 平，歐陽升, 衛(wèi)耀偉

(成都精密光學工程研究中心，四川 成都 610041)

引言

光學吸收是衡量光學元件質(zhì)量的重要指標。吸收的存在不僅會影響其光譜性能，更會造成元件的熱沉積。特別在高功率激光作用下，光學吸收是導致激光損傷的關(guān)鍵因素之一[1-2]，是制約高功率激光器輸出的重要因素，因而有必要對光學元件的吸收進行精確測量，從而達到減少吸收損耗和制備高質(zhì)量的光學元件的目的。

K9基片是最常用的光學元件之一，具有從350 nm到近紅外的較寬透光范圍和優(yōu)良的物理化學穩(wěn)定性，在拋光制作中不易產(chǎn)生劃痕，幾乎不產(chǎn)生氣泡，在光學系統(tǒng)中具有極廣泛的應(yīng)用。文獻[3]對K9基片上的Al2O3薄膜進行了損傷測試，發(fā)現(xiàn)損傷形貌主要與高溫脫落有關(guān)，文獻[4-8]對K9基片的激光體損傷、亞表面損傷、后表面損傷作了廣泛研究，文獻[9]對K9基片在連續(xù)激光作用下的熱分布進行了模擬，但對K9基片的弱吸收研究尚未見報道。

K9基片的吸收由2部分組成：體吸收和表面吸收[10-11]。體吸收與材料的能帶、雜質(zhì)及缺陷有關(guān)，而表面吸收更多與拋光工藝和表面清潔有關(guān)。現(xiàn)代K9材料的吸收已經(jīng)減小到10-3/cm量級，為確定吸收來源和進一步降低吸收，需要分離材料的體吸收和表面吸收，從而有針對性地改進加工技術(shù)。

目前測量光學元件弱吸收的方法主要有光熱法和激光量熱法[12-15]。其中，激光量熱法是目前測量弱吸收的國際標準方法(ISO 11551)，其優(yōu)點是能直接測量吸收絕對值(不需要定標)，且裝置簡單、操作方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定。

基于ISO 11551的測量原理，采用一臺基于國際標準ISO11551的1 064 nm激光量熱計，對相同工藝條件下制作的不同厚度K9基片進行了弱吸收測量研究，分析了表面吸收和體吸收的比例。

1 激光量熱法原理

大多數(shù)光學元件(如K9)吸收1 064 nm激光后將光能轉(zhuǎn)換為熱能，導致元件的溫度升高。溫升的幅度與元件的吸收率、激光能量成正比，與元件的質(zhì)量、比熱容成反比。激光量熱法通過測量激光照射過程中光學元件的溫度變化來確定其吸收大小。

實驗中采用Φ25 mm，厚度為d的K9基片。ISO 11551指出，在(r=7 mm,z=d)處測量的樣品溫度變化可表述為

(1)

式中：T為時間t的函數(shù)；P代表激光功率，γ為熱損耗系數(shù)；R和d分別為樣品的半徑和厚度。ISO11551規(guī)定：測量樣品的質(zhì)量m和比熱容c，采用一定功率P的激光照射樣品，在特定位置處測量溫度變化，采用近似模型對采集的數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合，即可得到樣品的吸收值。

其他誤差包括質(zhì)量m、比熱容c、激光功率P的測量誤差、噪聲帶來的誤差、擬合誤差，采用激光量熱法測量弱吸收的相對誤差不超過13%。

2 實驗

2.1 樣品制備

本文采用0級光潔度的K9樣品，表面無劃痕。樣品分為3組，直徑均為Φ25 mm，每組樣品5個，厚度分別1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。所有樣品采用同一拋光工藝制備。樣品的物理參數(shù)如表1所示。

表1 K9基片的物理性質(zhì)Table 1 Physical parameters of K9 glass

樣品統(tǒng)一采用酒精和丙酮擦拭。采用lambda 900分光光度計測量基片的0°透過率，在500 nm～1 300 nm范圍內(nèi)透過率均為95.74%，無干涉波紋。

2.2 實驗裝置及實驗方法

實驗裝置如圖1所示。輻照光源使用波長為1 064 nm的連續(xù)激光器，偏振方向為s-偏振，在樣品表面光斑呈高斯型，直徑約0.8 mm，如圖2所示。樣品放入絕熱箱以減少環(huán)境溫度漂移對測量的影響；反射鏡相當于光路開關(guān)，開關(guān)打開時激光照射樣品，開關(guān)合上時激光進入能量計，通過計算機可控制激光照射樣品的時間。采用負溫度系數(shù)傳感元件NTC探測樣品溫度。調(diào)節(jié)樣品架可使激光照射至樣品中心，NTC距離樣品中心7 mm。儀器使用了多個可變口徑光闌，調(diào)節(jié)光闌可使雜散光對測量影響最小。

為確定噪聲(溫漂、雜散光)對測量的影響，對零吸收樣品進行了測量，測量過程分3個階段：照射前(>30 s)、照射加熱(5 s～300 s)、冷卻(>200 s)。照射前階段記錄的溫度變化用于消除環(huán)境溫度漂移對弱吸收測量的影響。圖3中所示為溫度-時間數(shù)據(jù)及其擬合曲線。由圖可見：溫度噪聲為100 μK左右，對應(yīng)的弱吸收值僅為2.0×10-7，雜散光的影響可忽略不計，儀器的探測精度達到6.4×10-7。

圖1 激光量熱計裝置示意圖Fig.1 Schematic of laser calorimeter

圖2 光斑形貌Fig.2 Beam shape of laser

圖3 噪聲測量Fig.3 Measurement of 0 absorption sample

測量了K9樣品的弱吸收，入射角接近0°，使用的激光功率為6.5 W，照射前時間設(shè)定為180 s，照射時間設(shè)定為120 s，冷卻時間設(shè)定為400 s。采用最小二乘法對測得數(shù)據(jù)擬合，計算弱吸收值。

3 分析與討論

圖4所示為1組樣品(1 mm～5 mm)的溫度-時間數(shù)據(jù)及擬合圖，擬合曲線與數(shù)據(jù)點基本重合。由圖可見，樣品的有效熱容(m·c)隨厚度增大而增加，但由于樣品的吸收率增大，其吸收的熱量更多，從而導致溫升更明顯。

圖4 不同厚度K9樣品的溫度變化曲線Fig.4 Temperature curves of K9 substrates with different thicknesses

分析樣品吸收率-厚度數(shù)據(jù)，對其進行線性擬合，如圖5所示，擬合關(guān)系式為(2)式，擬合相關(guān)系數(shù)達到99.8%，說明樣品吸收率隨著厚度增加近似線性增大。樣品的吸收由表面吸收和體吸收兩部分構(gòu)成。采用體吸收系數(shù)對不同厚度樣品的體吸收率進行描述。

圖5 K9弱吸收隨厚度的變化Fig.5 Weak absorptance versus thickness

A=24.2+172.3×d

(2)

設(shè)K9樣品的表面吸收率為A0，體吸收系數(shù)為α(1/cm)；光波入射進入基片后，在基片內(nèi)部產(chǎn)生多次反射，如圖6所示，樣品的吸收為多次反射產(chǎn)生的體吸收與界面吸收之和。光源線寬約為10 nm，相干長度(約0.1 mm)遠小于基片厚度，可不考慮相干效應(yīng)。

圖6 K9基片內(nèi)光線示意圖Fig.6 Schematic of laser beam inside K9 glass

若光線的入射角為θ0，折射角為θ1，樣品的總吸收[16]為

(3)

A=2A0+αd

(4)

本文使用的K9玻璃折射率為1.52，代入上式可得樣品的表面吸收率和體吸收系數(shù)。表面吸收率約為1.2×10-5，可能是由于表面殘留雜質(zhì)或表面微結(jié)構(gòu)引起；而體吸收率(厚度>1 mm)遠大于表面吸收率，是K9基片吸收的主要來源。通過清潔、清除表面及亞表面缺陷、改善拋光工藝不能明顯降低K9基片的吸收，需通過改善K9材料和純度來降低基片的體吸收。

本實驗樣品K9體吸收系數(shù)為1.7×10-3/cm，經(jīng)換算其消光系數(shù)為1.46×10-8。從圖4中可以看到，K9基片在激光光斑處可產(chǎn)生明顯的溫升，在強激光領(lǐng)域使用K9元件時需考慮溫升、自聚焦效應(yīng)及損傷閾值對激光系統(tǒng)的影響。

4 結(jié)論

分析了激光量熱法的測量原理，分析指出激光量熱法具有精度高、直接測量(無需定標)、裝置簡單的特點。采用激光量熱法測量了K9 基片的弱吸收，其吸收值遠小于1%。在弱吸收前提下，隨著厚度增加，K9的吸收率線性增加。K9樣品的吸收率由2部分構(gòu)成——表面吸收和體吸收。表面吸收率為1.2×10-5，體吸收系數(shù)為1.7×10-3/cm。K9基片弱吸收主要來源于體吸收，改善拋光工藝對降低其吸收率無明顯作用。K9基片不宜用于強激光場合。

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