王堅，吳來富，李全民，王勁，嚴(yan) 會(hui) 文，黃勝弟

南京波長光電集團

摘要高功率激光器具有廣泛的應用，包括精密工業(ye) 加工、激光成像/測距，以及強場物理學應用等。光學鏡片與(yu) 鏡頭作為(wei) 激光光學係統的關(guan) 鍵核心元件，對於(yu) 激光係統有著重要的影響。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(yu) 核心的光學元件要求越來越高。我們(men) 將從(cong) 材料選擇，亞(ya) 納米拋光，離子濺射鍍膜等技術來闡述光學元件的製造與(yu) 檢測。

關(guan) 鍵詞 超光滑表麵；離子濺射鍍膜；激光損傷(shang) 閾值；激光熱度儀(yi) ；

1 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(jin) 延伸了光學材料的選擇，也對光學元件提出了極精密麵型和超光滑表麵的加工要求，其表麵粗糙度在亞(ya) 納米，即埃級（Å）。另外，激光損傷(shang) 閾值大於(yu) 40J/cm2的鍍膜技術以及吸收率低於(yu) 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，實現致密而精準的膜層，至關(guan) 重要。與(yu) 此同時，能夠定量地測量吸收率、激光損傷(shang) 閾值，並且研製與(yu) 國際測量標準接軌的測試儀(yi) 器重要而迫切。

在應用領域，YAG高功率激光應用主要用於(yu) 厚金屬焊接、厚金屬切割、大型鋼件熔覆與(yu) 表麵處理等方麵。如（1）汽車骨架、船舶零部件的焊接與(yu) 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(jue) 焊縫出現焊不透，焊縫有凸起、小孔等現象；（3）船舶傳(chuan) 動軸的修複與(yu) 表麵處理。對於(yu) 高功率紫外和綠光激光，主要用於(yu) 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麵紫外遠心場鏡，承受功率15W紫外皮秒激光，且聚焦光斑隻有13μm左右，場曲小，切割幅麵達到180x180mm2，對比三維運動切割提升了切割效率和穩定性，解決(jue) 了大屏切割難的問題。

2 高功率激光光學元件的加工

2.1 光學材料的選擇

對於(yu) 紫外、YAG光纖和半導體(ti) 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(yu) 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(nei) 廠家更傾(qing) 向於(yu) 國外的賀利氏和康寧材料。

表一 各種玻璃參數對比

2.2 亞(ya) 納米拋光技術

超光滑表麵除了麵形精度和表麵粗糙度要求極高以外，還要求表麵有完好的晶格結構、無缺陷，能消除加工損傷(shang) 層。關(guan) 鍵在最後一道工序：超精密拋光技術。波長光電的超光滑表麵加工工藝結合了傳(chuan) 統的機械去除法以及磁性拋光法，達到表麵粗糙度低於(yu) 5Å。原子力顯微鏡的測試結果如圖一。

圖一 超光滑表麵測試結果

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(chan) 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，限製了薄膜的激光損傷(shang) 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(men) 用離子束反應濺射沉積設備製備了氧化鉿和二氧化矽激光增透膜，並對此薄膜進行了光學性質、結構特性以及激光損傷(shang) 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(jin) 膜層致密，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(shang) 闞值高。檢測的激光損傷(shang) 閾值為(wei) 40J/cm2，如圖二所示。檢測條件：測試激光波長為(wei) 1 064nm，脈衝(chong) 寬度為(wei) 10 ns，樣品的測試采用1-on-1的方式進行，取0損傷(shang) 幾率時的能量密度作為(wei) 樣品的損傷(shang) 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(shang) 閾值測試結果

3 高功率激光光學元件的測量

波長光電-西安工業(ye) 大學激光器件可靠性測試中心致力於(yu) 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(shang) 閾值外，還可以開展對器件的激光抗損傷(shang) 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(wei) 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(shang) 閾值測試

光學薄膜激光損傷(shang) 閾值測試儀(yi) 依據國際標準ISO11254建立，主要用於(yu) 薄膜或光學元件表麵強激光承受能力的測試，如圖三所示。該儀(yi) 器可進行：1、光學元件或薄膜激光損傷(shang) 閾值及損傷(shang) 斑的測試；2、激光預處理，提高薄膜的激光損傷(shang) 閾值。該儀(yi) 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(yu) 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(yu) 判別模塊、聲譜分析與(yu) 判別模塊、質譜分析及判別模塊。

圖三 符合國際測量標準ISO 11254的激光損失閾值測試係統

該係統具有一下三種特點及優(you) 勢：首先，相互補充、互為(wei) 校對的多種損傷(shang) 判別方法。每種損傷(shang) 判別方法都有一定的局限性和應用範圍，單一的損傷(shang) 判別方法難以對不同厚度、不同膜係的薄膜均做出準確的判別。本套係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(wei) 校對，拓展了測試對象的應用範圍，為(wei) 整體(ti) 係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係統。由於(yu) 工作距的限製，目前測試係統中圖像判別法采用的CCD放大倍率隻能達到50倍以下，不滿足國際標準規定的100倍的要求。對此，係統配備了高倍變焦顯微鏡校驗係統，方便用戶在不影響測試過程，不拆卸樣品的情況下，對損傷(shang) 點的實際情況進行在線複查，保證了對準精度。另外，雙波長共光路的係統設計。本儀(yi) 器具有單波長（1064nm或者532nm）和雙波長（1064nm和532nm）兩(liang) 種類型。針對雙波長測試儀(yi) ，采用兩(liang) 台激光器，經過合色棱鏡，合並在一束光路上，簡化了光學係統結構，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(yu) 新加坡科研局合作開發的MatCaloreTM是世界上第一款商業(ye) 光學元件吸收測量係統。滿足ISO測量標準11551，該儀(yi) 器是基於(yu) 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(wei) 熱量，此部分熱量表現為(wei) 被測樣品件的溫升。基於(yu) 雙傳(chuan) 感器差別溫度測量進一步降低係統誤差，基於(yu) 三點算法的計算軟件實現了自動化功能，為(wei) 工廠車間的吸收係數測量提供一個(ge) 總控解決(jue) 方案。我們(men) 可以定製針對1μm和10.6μm的激光波長，通過測量物體(ti) 溫度來確定相對較薄物體(ti) 樣品（2mm-9mm）總的吸收係數。該儀(yi) 器具有透射和0/45°反射模式。這項創新在2014年被SPIE專(zhuan) 題報道。

圖四 激光熱度儀(yi) 用於(yu) 吸收的測量原理和樣機圖片

4 結論與(yu) 展望

本文從(cong) 光學材料的選擇、亞(ya) 納米拋光技術、離子濺射鍍膜技術三個(ge) 生產(chan) 工藝的角度，以及光學鏡片的抗損傷(shang) 閾值測試和激光吸收率測試兩(liang) 個(ge) 測量技術的角度係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麵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(chong) 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。平麵鏡頭，超結構表麵，采用半導體(ti) 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。