用FDTD分析KDP晶体微纳表层对内部光强分布的影响

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wkxhm123
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KDP晶体是一种性能优良的非线性光学晶体材料,因其具有较大的非线性光学系数、较高的激光损伤阈值、较宽的透光波段、优良的光学均匀性、易于实现相位匹配、易于生长等特点,而被广泛地用作光学频率转换器件以及光电开关元件。但是,KDP晶体生长以及后续的超精密加工过程中,会形成各种缺陷和表面特征,严重地影响着晶体的激光损伤阈值等光学性能。例如,生长过程中形成的各类包裹体缺陷以及单点金刚石铣削后表面形成的小尺度波纹等。因此,研究这些缺陷对其激光损伤阈值的影响规律和程度大小,不仅可以进一步解释KDP晶体的激光损伤机理,还可为提高光学性能提供理论基础和参数依据,进一步指导快速生长工艺的改进以及加工参数的合理选取,以满足目前激光核聚变装置对KDP晶体光学元件所提出的苛刻要求,对惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)工程至关重要。本文首先对采用时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain,FDTD)建模过程中所涉及到的空间和时间步长选择、吸收边界条件和周期性边界条件设置等相关内容进行分析,并建立平面电磁波垂直投射到光滑的和镀膜的KDP晶体表面的分析模型,采用FDTD方法求解晶体内部的光强,与公式计算结果以及薄膜增透理论进行对比验证,为后续的分析工作做了铺垫。然后阐述小尺度波纹的产生和提取,分析小尺度波纹、凹坑和包裹体对KDP晶体内部光强分布的影响规律和程度大小。结果表明:小尺度波纹、凹坑和包裹体会使晶体内部的衍射场发生畸变,导致晶体内部光强呈现强弱分布;且畸变程度与不同特征参数(小尺度波纹幅值和周期、凹坑大小、包裹体大小和折射率)有关。最后对KDP晶体激光损伤阈值实验进行分析,结果表明:晶体的前、后表面损伤和体损伤多以炸裂为主,且后表面炸裂的程度明显比前表面严重;粗糙度不能作为评价表面形貌对KDP激光损伤阈值影响的唯一标准;小尺度波纹对激光的小尺度扰动是激光发生小尺度自聚焦的重要原因。
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