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1、第19卷第12期强激光与粒子束Vol.19,No.122007年12月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSDec.,2007文章编号:100124322(2007)12219832043光斑尺寸对光学薄膜元件温升的影响1,21代福,熊胜明(1.中国科学院光电技术研究所,成都610209;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:实验测量了波长1064nm,10kHz高重复频率激光辐照下在白宝石、石英玻璃、K9基片上制备的Ta2O5/SiO2高反膜的温度变化,有限元分析的结果与实验结果相一致。用ANSYS程序计算了不同光斑直径
2、、相同功率激光和相同功率密度激光辐照下薄膜元件温升的变化。结果表明:相同功率激光辐照光学薄膜元件时,光斑大小只影响激光辐照点的温升,对基板温升没有影响。基板温升只与激光功率有关,激光功率越大,基板温升越大。相同功率密度激光辐照光学薄膜元件时,光斑越大,激光辐照点温度及基板温度均越高。从激光损伤的热效应考虑,小光斑激光辐照时,光学薄膜的激光损伤阈值较高。关键词:重复频率激光;光斑;光学薄膜;温升;激光损伤阈值中图分类号:O484.4文献标识码:A光学薄膜元件是激光器及其相关光学系统中的重要元件,其抗激光损伤能力往往限制着高能量和高功率激光器的发展和应用。在
3、单脉冲或低重复率脉冲激光辐照下,薄膜的损伤主要表现为由缺陷诱导的场致损伤,[122]减小膜系最外面高折射率层的驻波场峰值可以显著提高单脉冲激光辐照下薄膜的激光损伤阈值。在高重[328]复频率脉冲激光或连续激光辐照下,薄膜的损伤主要是由热效应所引起的。研究高重复频率脉冲激光辐照下薄膜元件的温升规律,探究影响薄膜元件温升的因素,可以有效降低激光辐照时薄膜温度的升高,提高薄膜的抗激光损伤阈值,延长薄膜的使用寿命。本文采用数值方法和实验结果相结合的研究方法,实验测量了波长1064nm,10kHz高重复频率激光辐照下在白宝石、石英玻璃、K9基片上制备的Ta2O5/
4、SiO2高反膜的温升变化。采用有限元ANSYS程序对实验结果进行了计算分析。1理论模型激光束辐照下的多层膜系如图1所示,基板厚l,镀有周期性交替分布的高折射率材料和低折射率材料。取柱坐标系,坐标原点位于样品的激光入射表面中心,激光照射方向与z轴一致,高斯型空间分布的激光束照射在样品表面(z=0),其光强分布为22I(r,t)=[P0(t)/πr]exp[-(r/R)](1)式中:R为入射光束半径;P0(t)为激光的瞬时输出功率。t=0时刻,激光开始照射样品,初始时刻,样品温度分布均匀,计为T0。考虑到吸收的存在,各个膜层即成为“热源”,在单脉冲激光作用下
5、,由于脉冲宽度较小,一般认为,沿zFig.1Schematicdiagramofthe方向在远离激光辐照点的基底出射面以及沿multilayercoatingirradiatedr方向薄膜表面上距离激光辐照bylaserbeam点的3倍高斯半径处的温度不随热源及辐照时间发生变化,膜层的2维温度图1激光束辐照下的多层膜系示意图[9210]分布计算可由相应的热传导方程采用“交替隐型算法”得出。在高重复频率脉冲激光辐照下,由于基板的传热,基底出射面的温度会升高,样品内部的温度场T(r,z,t)满足热传导方[11]程2215T5T15T5TF0β22=2++2+
6、g(t)exp[-(r/R)-βz](2)kD5t5rr5r5zk5TT(r,z,0)=T0,-k=h(T-T0)5nz=0初始条件和边界条件为5T(3)-k=h(T-T0),5T5nz=l-k=05nr=rθ3收稿日期:2007206219;修订日期:2007210229基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:代福(1977—),男,四川安岳县人,博士研究生,主要从事激光损伤机理研究;ioe-sdaif@126.com。1984强激光与粒子束第19卷式中:kD为基板热扩散率;k为基板热导率;β为样品吸收系数;F0为进入样品的激光光斑中心的通量;R
7、为高斯光束半径;T0为初始温度;n为表面法向;g(t)为归一化的随时间变化的激光波形函数,这里为单位阶跃函数;h为表面热交换系数。2实验激光辐照在薄膜样品上,膜层总厚度在μm量级,即激光辐照样品时,薄膜的温升总是瞬时发生的。基板的选取及辐照激光的参数将影响样品内的温度场分布。实验所用Fig.2Schematiclayoutoftemperaturemeasurementfacility图2激光辐照薄膜样品温升测量装置的DPL脉冲激光重复频率为10kHz,激光波长为1064nm,脉宽82ns。实验装置如图2所示。图中He2Ne激光用于光路准直作用,由305
8、Thermometer测温仪记录10min内样品基板的温度变化情况,精度为0.1
