4-1  激光损伤阈值单脉冲激光测量方法

胡建平  张问辉  唐  明  马  平

利用二元相位光栅的特点，设计一个具有特定相位分布的相位光栅，在单色波的照明下，使某些特定位置的菲涅耳像变成一个振幅光栅即光斑阵列。如果该光斑阵列的光强按照一定关系分布，将阵列光斑作用于实验样品上，能确定出各个光斑对应的损伤，就能从一次激光脉冲辐照中得出样品损伤阈值。激光光束为高斯光束，入射高斯光束通过二元相位光栅分解成类高斯分布的点阵并对样品进行辐照，研究衍射点阵中各点的一阶峰值能量密度分布和样品的损伤情况，可以单脉冲激光确定光学薄膜的损伤阈值。

工作主要对光学元件的衍射理论进行探讨，从光传输的角谱理论出发，推导了单色平面光经过泰伯阵列光栅的传输方程，若在z＝0处，光场是U(x , y , 0)的光入射到一个相位传播函数是t(x , y)的元件(或者系统)，其在z处的光场可以表达U (x , y , z)=FT ^-1{H(z)FT[t(x , y)U(x , y , 0)]}。式中，FT ^-1和FT分别是逆傅里叶变换和傅里叶变换。实验中的相位光学元件即为泰伯相位光栅，从上述传输方程可得到光斑阵列的分布情况，对图1，2所示的矩形孔和正弦振幅光栅在单色平面波照射下在远处的场的一维分布进行了计算，计算表明，相位光栅能形成类高斯形光斑。

分析了泰伯光栅的自成像距离与光斑大小的关系，u₀(x)是位于z = 0平面上的周期物体(如光栅)的透过率函数，d是沿x方向的光栅周期。当zl/(2d²)=N , N= 1, 2, 3…，u_z(x)和u₀(x)具有相同形式的分布，即产生了自成像。此时的z为Talbot距离。设计了两片泰伯光栅，其结构如图3，4所示，对应波长分别为1 064 nm和532 nm，镜片为f30 mm，厚度3 mm，圆孔相位深度为90°。初步组建了试验光路，如图5所示，主要由Nd:YAG激光器，激光反射镜片，泰伯相位光栅，450 mm的聚焦透镜和三维样品平台等组成，为下一阶段的实验工作做一个理论和实验铺垫。