第二屆“環(huán)太激光損傷——高功率激光光學(xué)材料”專題研討會(huì)由中科院上海光機(jī)所和SPIE共同主辦，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)和中國(guó)科學(xué)院協(xié)辦。主席由中科院上海光機(jī)所邵建達(dá)研究員，日本大阪大學(xué)Takahisa Jitsuno 教授和美國(guó)新墨西哥大學(xué)Wolfgang Rudolph教授共同擔(dān)任。

　　來(lái)自亞洲、北美、歐洲等地區(qū)11個(gè)國(guó)家的120余位專家出席了本屆會(huì)議，其中30余位專家來(lái)自境外。本屆會(huì)議共接受論文87篇，包括61篇口頭報(bào)告和26篇張貼報(bào)告。與第一屆會(huì)議的100余位參會(huì)人數(shù)和來(lái)自8個(gè)國(guó)家的20余位境外代表相比，本次會(huì)議均略有增長(zhǎng)。會(huì)議圍繞紫外-紅外高功率激光損傷，激光切割和加工，缺陷、污染、拋光和表面損傷，表征技術(shù)和測(cè)量方法，高損傷閾值薄膜，非線性激光晶體，激光陶瓷，光學(xué)玻璃與光纖等8個(gè)議題展開(kāi)。

　　一、缺陷、污染、拋光和表面損傷

　　在該議題部分，本屆會(huì)議收到7篇口頭報(bào)告，討論的內(nèi)容包括先進(jìn)加工技術(shù)，基于反應(yīng)離子束刻蝕和基于氫氟酸水溶液刻蝕的表面處理技術(shù)，借助散射光對(duì)表面、薄膜和體材料中損傷相關(guān)的缺陷進(jìn)行表征的技術(shù)，以及355 nm激光脈沖能量和脈沖數(shù)對(duì)熔石英在真空環(huán)境中損傷閾值的影響等。

　　得益于確定性拋光技術(shù)，非球面加工在近年來(lái)取得了較大的進(jìn)展。然而，對(duì)于大口徑和高精度的非球面表面加工，仍然存在很多問(wèn)題，例如中頻誤差問(wèn)題。中頻誤差會(huì)引起小角散射、能量損失、像素串?dāng)_等問(wèn)題，因而在拋光中必須對(duì)中頻誤差進(jìn)行控制。Xuqing Nie等從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)中頻誤差問(wèn)題進(jìn)行了研究，他們分析了在中頻誤差方面的加工能力不足，并介紹了一種包括磁流變加工和離子束加工的拋光工藝，用于解決中頻誤差問(wèn)題。

　　熔石英加工過(guò)程中引起的裂紋、劃痕和雜質(zhì)污染等會(huì)在激光輻照下誘導(dǎo)元件損傷，從而降低熔石英元件的抗激光損傷閾值。Xiaolong Jiang等介紹了他們利用化學(xué)瀝濾對(duì)熔石英元件表面雜質(zhì)污染進(jìn)行去除的效果，以及對(duì)傳統(tǒng)的氫氟酸水溶液刻蝕工藝進(jìn)行優(yōu)化，有效阻止反應(yīng)物的再沉積。測(cè)試結(jié)果表明：這兩種表面處理方法都在一定程度上提升了石英元件的抗激光損傷閾值。Laixi Sun等報(bào)道了利用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)對(duì)熔石英表面進(jìn)行處理的結(jié)果。認(rèn)為通過(guò)反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)，能夠去除石英元件表面的雜質(zhì)污染和劃痕等結(jié)構(gòu)特征，從而提升了石英元件的抗激光損傷閾值。

　　微小缺陷引起的散射會(huì)引起光學(xué)元件的性能下降，包括增加損耗、影響成像系統(tǒng)精度等。另一方面，借助光散射，能夠?qū)Ρ砻嬉约安牧系碾s質(zhì)進(jìn)行非接觸式無(wú)損探測(cè)分析。Sven Schroder等介紹了弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)精密機(jī)械研究所研發(fā)的ALBATROSS系統(tǒng)，能夠?qū)ψ贤庵良t外光譜波段的光散射進(jìn)行測(cè)試；并利用光散射測(cè)量裝置對(duì)激光誘導(dǎo)損傷相關(guān)的雜質(zhì)進(jìn)行分析，包括界面粗糙度、表面缺陷、體材料的不均勻性和亞表面損傷等。

　　Xiaoyan Zhou等研究了石英基片在真空環(huán)境下，經(jīng)過(guò)不同能量、不同脈沖數(shù)的355 nm激光輻照后的性能變化。認(rèn)為石英基片在經(jīng)過(guò)紫外預(yù)輻照后，表現(xiàn)出強(qiáng)的吸收帶或熒光帶，這歸因于非橋氧空穴中心、缺氧缺陷，以及其他一些激光誘導(dǎo)損傷缺陷。用于高功率激光系統(tǒng)的光學(xué)元件必須經(jīng)過(guò)光學(xué)加工和表面處理這兩個(gè)基本過(guò)程。光學(xué)加工帶來(lái)的表面和亞表面缺陷以及表面處理和輸運(yùn)等過(guò)程帶來(lái)的表面污染，很大程度上降低了光學(xué)元件的損傷閾值和光學(xué)質(zhì)量。此外，對(duì)于表面鍍膜的光學(xué)元件，缺陷和污染對(duì)薄膜性能的影響也是需要關(guān)注和解決的問(wèn)題。本議題中的報(bào)告，無(wú)論是加工技術(shù)的改進(jìn)，還是診斷技術(shù)的提高，基本都是圍繞著提高光學(xué)表面質(zhì)量，減少表面和亞表面缺陷而展開(kāi)的。盡管相關(guān)的工作對(duì)提高光學(xué)表面質(zhì)量起到了很大的作用，但是從高功率激光系統(tǒng)的需求出發(fā)，這方面的研究工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，特別是光學(xué)元件表面和亞表面缺陷對(duì)薄膜抗激光性能和其他性能的影響問(wèn)題還在起步階段；此外，包裝、傳輸及應(yīng)用過(guò)程中的污染導(dǎo)致光學(xué)元件性能下降等問(wèn)題還缺乏系統(tǒng)的研究和足夠的重視。期待著相關(guān)方面的研究工作有更大的進(jìn)展。

　　二、表征技術(shù)和測(cè)量方法

　　表征技術(shù)和測(cè)量方法部分討論光學(xué)材料與光學(xué)元器件性質(zhì)的表征與測(cè)量技術(shù)，以及如何利用這些手段獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。本屆會(huì)議中，該議題部分有1篇大會(huì)特邀報(bào)告，2篇邀請(qǐng)報(bào)告。美國(guó)內(nèi)布拉斯林肯大學(xué)Yong Feng Lu教授在其大會(huì)特邀報(bào)告中，對(duì)基于激光的光譜學(xué)和光譜計(jì)量學(xué)進(jìn)行了詳盡的介紹。

　　對(duì)于光學(xué)材料與元器件性質(zhì)的表征與測(cè)試而言，具備相應(yīng)測(cè)試功能的平臺(tái)是首要前提。然而，如何借助這些平臺(tái)，獲得準(zhǔn)確的表征與測(cè)試結(jié)果是一項(xiàng)重要且非常艱巨的任務(wù)。以損傷閾值測(cè)試為例，納秒脈寬激光輻照下的激光損傷機(jī)制包含了從雪崩離化到熱擴(kuò)散等不同的過(guò)程。由于同時(shí)存在多種作用過(guò)程，測(cè)試參數(shù)的差異可能會(huì)引起測(cè)得的損傷閾值不同，這就使得對(duì)比不同裝置上測(cè)得的損傷閾值非常困難。為了降低損傷閾值測(cè)試結(jié)果的不確定性，需要了解不同測(cè)試參數(shù)對(duì)最終測(cè)試結(jié)果的影響。Jean-Yves Natoli教授在其邀請(qǐng)報(bào)告中對(duì)這方面的問(wèn)題做了很有特色的評(píng)述和分析，給出了具有參考價(jià)值的結(jié)果和建議。報(bào)告從ISO質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求出發(fā)，強(qiáng)調(diào)了準(zhǔn)確測(cè)量光束空間分布和時(shí)間分布的重要性。作者明確指出，測(cè)量光學(xué)材料體損傷閾值時(shí)，對(duì)于不均勻光束和聚焦光束，除了準(zhǔn)確測(cè)量和正確分析光斑尺寸之外，還必須測(cè)量光束的三維分布特性。為了準(zhǔn)確測(cè)量光束脈沖寬度，必須同時(shí)關(guān)注主脈沖和子脈沖的分布特性，否則可能會(huì)造成很大的測(cè)量誤差。對(duì)于損傷特性的測(cè)量和分析，報(bào)告介紹了兩種測(cè)量模式即統(tǒng)計(jì)模式和整體模式，分析了兩種損傷測(cè)量模式的基本特征。統(tǒng)計(jì)模式建立的是損傷幾率與激光能量密度的關(guān)系，可以快速地得到相應(yīng)的結(jié)果。測(cè)量的便捷性有益于測(cè)量過(guò)程中的參數(shù)選擇和變化，便于研究材料損傷特性與測(cè)量參數(shù)的關(guān)系；此外，通過(guò)分析損傷幾率曲線的分布及變化，可以分析材料中缺陷的類(lèi)型和分布，并找到最敏感的誘因。然而，受光斑大小、取樣密度和激光輸出水平的限制，這種模式得到的結(jié)果有一定的不確定性。整體模式是一種功能性損傷的測(cè)量模式，通過(guò)激光束在材料表面上進(jìn)行光柵式掃描獲得激光損傷的密度和密度分布。該測(cè)量模式有助于獲得所有的缺陷損傷，包括最低損傷閾值的源頭，能夠?yàn)椴牧系膽?yīng)用提供參考。除此之外，作者還建立了多脈沖損傷幾率與單脈沖損傷幾率之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，提出了兩種不同的s-on-1損傷模式：一種是幾率損傷模式，這種模式下多脈沖的作用并沒(méi)有改變材料特性，損傷幾率的增加完全是統(tǒng)計(jì)過(guò)程引起的；另一種是累積損傷模式，這種模式下多個(gè)激光脈沖的作用使得材料本身的特性發(fā)生了變化，損傷幾率的增加不完全遵守?fù)p傷幾率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。從激光與材料的作用過(guò)程來(lái)分析，作者認(rèn)為幾率損傷表現(xiàn)為瞬時(shí)損傷，而累積損傷表現(xiàn)為永久損傷。光熱技術(shù)被廣泛應(yīng)用于高功率激光薄膜特性的表征，包括光學(xué)吸收的測(cè)量、熱導(dǎo)率的表征以及局部缺陷的分析等。用于探測(cè)光熱響應(yīng)的方法有很多，包括光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)、光熱共徑干涉技術(shù)、表面熱透鏡技術(shù)等。Jingtao Dong等基于橢圓光度法對(duì)光熱響應(yīng)進(jìn)行了研究，通過(guò)分析探測(cè)光束的偏振信息，提取測(cè)試樣品的表面吸收特性。作者認(rèn)為對(duì)于測(cè)試薄膜中弱吸收而言，該技術(shù)非常具有應(yīng)用前景。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　表征技術(shù)和測(cè)量方法是高功率激光光學(xué)材料研究工作和技術(shù)工作的重要組成部分，表征和測(cè)試技術(shù)的不斷提高和發(fā)展，將推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域做出更高水平的研究工作，包括高功率激光光學(xué)材料性能的提高以及高性能的材料和元器件的推出。事實(shí)上，除了本議題中的報(bào)告之外，會(huì)議的每一個(gè)議題都貫穿著表征技術(shù)和測(cè)量方法的研究。表征和測(cè)試技術(shù)包括材料本身性能的測(cè)量，激光參數(shù)的測(cè)量，激光與材料作用過(guò)程的測(cè)量以及激光與材料作用后的材料和生成物的測(cè)量。在這些測(cè)試中，激光與材料作用過(guò)程的實(shí)時(shí)測(cè)量和瞬態(tài)時(shí)間過(guò)程測(cè)量，對(duì)于研究激光對(duì)材料的損傷機(jī)制是非常重要的，也是目前測(cè)試技術(shù)中需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

　　三、高損傷閾值薄膜

　　高損傷閾值薄膜議題部分有口頭報(bào)告5篇。涵蓋了用于Nd：YAG激光器的基頻、二倍頻和三倍頻的薄膜，以及用于脈沖壓縮的多層介質(zhì)膜光柵，報(bào)告了薄膜元件在實(shí)際裝置中的環(huán)境耐受能力。

　　日本大阪大學(xué)Takahisa Jitsuno教授在其題為“激光損傷機(jī)制研究的最近進(jìn)展和污染對(duì)光學(xué)元件的影響”的大會(huì)特邀報(bào)告中，介紹了用于快點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)的短脈沖、高能激光系統(tǒng)(LFEX激光系統(tǒng))，并重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)中用于脈沖壓縮和聚焦的真空腔體，腔體在使用過(guò)程中碰到的油污染問(wèn)題，以及后續(xù)如何去除污染方面的工作。作者對(duì)從不同供應(yīng)商購(gòu)買(mǎi)的薄膜元件在污染前后，以及清洗后的損傷閾值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同供應(yīng)商的元件表現(xiàn)出不同的污染耐受能力。

　　Heyuan Guan等針對(duì)金屬-介質(zhì)膜光柵的近電場(chǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化，以降低光柵內(nèi)部電場(chǎng)峰值，提高光柵的抗激光損傷能力。Jie Liu等研究了532 nm HfO2/SiO2 反射膜的激光預(yù)處理工藝，研究結(jié)果表明適當(dāng)?shù)募す忸A(yù)處理工藝能夠在一定程度上提升532 nm HfO2/SiO2 反射膜的損傷閾值。355 nm反射膜方面的研究工作也有報(bào)道，研究了氧化物材料和氟化物材料制備的355 nm反射膜的光譜性能、應(yīng)力及其抗激光損傷性能，分析了損傷機(jī)制。作者認(rèn)為綜合氧化物材料和氟化物材料各自的優(yōu)勢(shì)，能提升三倍頻薄膜元件的抗激光損傷閾值，有潛力在ICF裝置中發(fā)揮作用。光學(xué)薄膜是高功率激光系統(tǒng)中的重要元件，也是高功率激光材料的重要組成部分，一直是相關(guān)工作中研究的重點(diǎn)。本議題中的文章雖然不多，但是涉及面很廣，其中有兩個(gè)問(wèn)題值得重點(diǎn)關(guān)注。其一是短波長(zhǎng)激光薄膜的損傷問(wèn)題，隨著波長(zhǎng)的短移，薄膜損傷的主要機(jī)制和誘發(fā)薄膜損傷的缺陷類(lèi)型均發(fā)生變化，相關(guān)的變化規(guī)律是研究工作的重點(diǎn)。盡管隨著波長(zhǎng)短移薄膜的損傷閾值會(huì)有所下降，但是相關(guān)的研究表明目前所見(jiàn)到的損傷問(wèn)題都是非本征損傷。這就意味著紫外激光薄膜特別是三倍頻薄膜還有比較大的提升空間，突破激光通量對(duì)薄膜損傷閾值的要求是完全可能的。其二是激光系統(tǒng)中的工作環(huán)境對(duì)薄膜的污染問(wèn)題，污染會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)薄膜的質(zhì)量，降低光學(xué)薄膜的損傷閾值。隨著應(yīng)用環(huán)境的變化，這方面的問(wèn)題會(huì)越來(lái)越多。薄膜元件的污染問(wèn)題是一個(gè)全局性的問(wèn)題，無(wú)論是從事高功率激光薄膜的研究人員，還是從事高功率激光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究和激光物理實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用的研究人員，都應(yīng)該給予更多的關(guān)注。