近日，我室研究生谢佩佩（第一作者），戴世勋研究员（通讯作者）联合哈尔滨工程大学王鹏飞教授（共通讯作者）研究提出了一种激光直写条状损伤的测量计算方法，即通过测量条状损伤的宽度替代圆形损伤坑的直径，以准确测定材料损伤的尺寸，提高了计算宽带隙材料损伤阈值的准确性。研究成果发表在Optics and Laser Technology (IF=5) 期刊发表了题为“Precision determination of the laser-induced damage threshold for infrared glasses under femtosecond laser irradiation”的论文。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.111420.

       光学玻璃作为激光系统的重要组成部分，直接影响激光器的输出特性、光束质量以及整个系统的稳定性。随着激光技术在激光医学、环境监测、精密加工、激光通信、激光制导等领域的广阔应用前景，光学玻璃的需求将不断升级。另外一方面，飞秒激光器因其高瞬时功率、冷加工能力和3D雕刻能力而在当代光学制造工艺中发挥着至关重要的作用。光学玻璃中的各种光致现象已得到广泛研究，包括激光引起的损伤、离子迁移、膨胀、变暗、流动动力学、微观结构改变，以及折射率的变化。大多数与电子雪崩引起的击穿有关。当种子电子在激光场内加速时，就会发生这种现象，从而通过碰撞产生其他自由电子。当雪崩电子产生的等离子体达到临界密度并将能量传递给晶格离子，破坏它们与结构的键时，就会发生击穿。鉴于超短脉冲烧蚀的非选择性特性，激光损伤阈值是加工特定光学材料时必须了解的关键材料参数。

       本项工作研究了800nm/130fs/1KHz激光作用下，不同激光脉冲数对三种不同带隙红外玻璃 (As₂S₃、70TeO₂-15ZnO-5La₂O₃-10WO₃ (TZLW),和53ZrF₄-20BaF₂-4LaF₃-3AlF₃-20NaF (ZBLAN))激光损伤形貌的影响，如图1所示；并发现在飞秒激光辐照下，损伤区域的选择对激光损伤阈值计算结果有至关重要的影响。图2展示了由于高激光能量密度，宽带隙ZBLAN玻璃的损伤坑边缘往往会出现严重的边缘塌陷，导致损伤坑测量存在较大误差，最终影响激光损伤阈值计算结果的准确性。因此基于多脉冲损伤特性和材料损伤形貌，本工作提出使用激光直写条状损伤 (如图3)并通过线性回归方法来精确计算材料的损伤阈值。通过本方法测量计算ZBLAN玻璃的损伤阈值为1.014 J/cm²，样品置于一段时间后，在相同激光参数的飞秒激光作用下，第二次损伤阈值测量计算结果1.097 J/cm²，如图4所示。表明该方法测量并计算材料激光损伤阈值具有较高的准确性以及重复性。

图1. 不同激光脉冲数对三种不同带隙红外玻璃的激光损伤形貌图像：(a) As₂S₃; (b) TZLW; (c) ZBLAN; (d) 损伤坑直径与脉冲数之间的关系

图2. (a) ZBLAN玻璃损伤坑的内、外圆直径 (与损伤坑内侧相切的最大圆定义为损伤坑的内圆，将与损伤坑外侧相切的最小圆定义为损伤坑的外圆)测量图像; (b)不同损伤坑区域选择下的损伤阈值计算结果

图3 飞秒激光直写条状损伤示意图

图4. (a) ZBLAN 玻璃条损伤显微图像; (b)不同时期条状损伤阈值计算结果