用不同激光损伤测试协议评估薄膜光学元件抗激光损伤性能

近期，中科院上海光机所高功率激光元件技术与工程部研究团队，在利用不同激光损伤测试协议评估532nm薄膜偏振片的抗激光损伤性能和损伤机制方面取得新进展。相关成果以“Nanosecond laser damage of 532 nm thin film polarizers evaluated by different testing protocols”为题发表在Optical Materials。

薄膜偏振片可透过P偏振光，反射S偏振光，在高功率激光系统中发挥着重要作用。1064 nm薄膜偏振片通常在大型激光系统中用作光学开关和光学隔离器，如美国国家点火装置（NIF）、OMEGA EP激光系统、Laser Megajoule和SG II-UP装置。但随着高功率短波激光器的发展，为解决短波薄膜光学元件抗激光损伤能力有限的问题，引入了偏振光束合束技术，但是二次谐波和三次谐波偏振片的激光损伤评估也至关重要。

目前，激光损伤测试协议主要有1-on-1、S-on-1、Raster scan、R-on-1和N-on-1。1-on-1激光损伤测试是对样品上的每个测试点施加单脉冲激光，研究光学元件初始损伤形貌。S-on-1激光损伤测试是将多个激光脉冲照射到同一个测试点，评估光学元件在长期使用下的累积效应和寿命。Raster scan激光损伤测试是以相同能量密度扫描样品1 cm2区域，可用来探测膜层中分立的低密度缺陷。当样品的可测试区域有限时，可以选择R-on-1激光损伤测试来确定损伤阈值，该测试方法使用逐级递增的激光能量密度照射同一测试点。减少激光能量密度台阶数可将R-on-1测试简化为N-on-1测试。使用不同的激光损伤测试协议有助于发掘薄膜光学元件的损伤来源、确定薄膜失效的潜在机制，对薄膜光学元件制备过程的改善提供参考。

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图1. 532 nm薄膜偏振片的激光损伤阈值比较和典型损伤形貌

研究团队利用1-on-1、S-on-1和Raster scan激光损伤测试协议对532 nm薄膜偏振片在不同偏振态下的抗激光损伤性能进行评估。利用电子束蒸发制备的薄膜偏振片在P偏振光下的损伤阈值显著低于S光。在P偏振光下，532 nm偏振片的1-on-1和S-on-1零几率损伤阈值非常接近。通过损伤形貌表征，样品在P偏振下的损伤主要为由基底与膜层界面的结构缺陷引起的平底坑和由熔石英亚表面损伤引起的贝壳状损伤，而且这两种损伤都非常稳定。在S偏振光下，S-on-1的损伤阈值低于1-on-1，出现累积效应的影响。其主要的损伤形貌为不完全喷射的节瘤损伤坑，吸收性缺陷造成的损伤也在多脉冲激光辐照下表现出来。两种偏振光下的Raster scan零损伤阈值都是最低的，说明对于薄膜偏振片，缺陷密度和膜层质量是影响其抗激光损伤性能的关键限制因素。

该研究获得了中国科学院国际合作局对外合作项目及土耳其科学技术研究理事会的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115124