本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种传输反射镜及其在降低背向散射光对激光驱动器损伤风险中的应用。
背景技术：
激光入射靶产生等离子体并与之耦合是激光驱动的各种高能量密度物理过程的第一个环节。激光与等离子体相互作用时，等离子体中的电子在激光电磁场中沿电场极化方向振荡，理想情况下这些振荡电子能通过碰撞将能量交换给离子，改变离子壳电子的状态并通过后续的复合、跃迁等过程发射x光。然后如果初始时刻等离子体密度存在扰动，大量振荡电子与密度扰动结合就会形成沿横向的振荡电流，这种振荡电流能激发另一个电磁波，并通过有质动力的形式与入射电磁波耦合。由于频率和波矢能够匹配，有质动力反过来又会进一步增强等离子体密度的扰动，如此将导致初始扰动不断放大，形成不稳定的正反馈机制，这就是激光与等离子体相互作用中典型的参量过程，一般称为激光等离子体不稳定性（laserplasmainstability,lpi）。
由于等离子体中不可避免地存在初始密度扰动（如热噪声等），lpi是非常容易被激发的，典型的lpi包括受激布里渊散射（sbs）和受激拉曼散射（srs）。其中受激布里渊散射（sbs）产生的背向散射光光谱为351nm，根据目前最新的研究，sbs背向散射光的最大平均通量可以达到2j/cm2以上，这大大增加了激光驱动器的基频段的损伤风险。
如何控制sbs背向散射光，降低其对基频段光学元件和结构件的损伤风险是困扰高功率固体激光驱动器设计和研制的问题之一。
目前用于高能量密度物理实验的高功率固体激光驱动器末级光路示意图如图1所示，1053nm主激光a由前级注入至靶场传输光路，最终由两件传输反射镜即第一传输反射镜1和第二传输反射镜2导入至终端光学组件3，经过倍频至351nm，聚焦至靶点4。受激布里渊散射形成的sbs背向散射光b由靶点4返回至终端光学组件3，透过终端光学组件3后到达第二传输反射镜2和第一传输反射镜1，经两件传输反射镜反射后往基频段传输。
根据目前公开报道，sbs背向散射光能量密度已超过2j/cm2，可能造成基频段损伤的是两类情况：
1.传输反射镜背面结构件：
传输反射镜一般安装在编组站镜箱中，传输反射镜的背面一般为铝合金或不锈钢支撑结构，以及铝合金镜箱管道内壁，金属表面的351nm损伤阈值一般在100mj/cm2以下。传输反射镜通常采用k9材料，k9材料对351nm的透过率较高（10mm厚k9材料，351nm内部吸收率仅为0.8%），若要减少透射至传输反射镜背面结构件的351nm激光能量密度，需在前表面镀351nm高反膜。以传输反射镜厚度达到100mm为例，若要将到达后表面的351nm激光能量密度减小至100mj/cm2以下，前表面膜层的351nm反射率需在95%左右；
2.从传输反射镜开始，沿光路的各类基频光学元件：
高功率固体激光驱动器基频段光学元件膜层一般采用介质膜（二氧化铪-二氧化硅膜系），除个别经过特殊制造工艺（其代价很高）攻关后，351nm损伤阈值能够实现2j/cm2左右外，其余元件无论镀制的是减反膜还是高反膜，其351nm激光损伤阈值均很难超过1j/cm2，普遍处于0.5j/cm2以下。若传输反射镜膜层镀制351nm高反膜，则要求基频段元件的351nm激光损伤阈值均需提高至2j/cm2左右，目前的介质膜工艺水平无法支撑。
技术实现要素：
本发明的目的之一，就在于提供一种传输反射镜，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种传输反射镜，采用下述方法制备而成：
（1）采用高能射线辐照k9光学传输反射镜；
（2）高温退火固化步骤（1）所述传输反射镜的色心；
（3）光学加工步骤（2）处理后的传输反射镜表面；
（4）紫外激光辐照固化步骤（3）处理后的传输反射镜色心；
（5）在步骤（4）加工后的传输反射镜反射面镀制高阈值反射膜。
其中，上述的步骤（1）和（2），其目的是采用利用高能射线比如γ射线对k9光学传输反射镜材料进行辐照，使其产生色心，并利用高温对色心进行固化，固化351nm吸收系数，使得产生色心后的k9光学传输反射镜在镀膜工艺所必须的升温过程中，不产生退化，满足一次反射镜吸收后351nm能量密度金属损伤阈值的要求(一般要求＜50mj/cm2)；这两步的材料制作工艺详见中国发明专利申请：cn111018329a一种光学元器件/光学材料色心的制备固化方法；
作为优选的技术方案：步骤（4）中，紫外激光辐照固化传输反射镜色心的方法为：采用脉冲宽度为8ns-10ns，能量密度在1.5j/cm2-2j/cm2的紫外脉冲激光，光谱范围为350nm-360nm，辐照发次450发以上。
步骤（4）是对高温固化后的色心进行355nm激光辐照固化，防止在后续使用过程中，材料色心因受到紫外激光辐照产生退化，导致透射率的变化，实验固化曲线如图2所示，图2中，采用355nm脉冲激光连续辐照约500发次，使得该传输反射镜材料的色心完全固化，在后续吸收sbs激光后，其吸收特性不再改变；暗化后的材料，最终通过冷加工和镀膜制作为能够吸收背向散射光，即351nm脉冲激光的传输反射镜，若未经高温固化的暗化k9光学传输反射镜材料，在镀膜过程中若采用高温镀膜的方式，则其色心将会发生改变，材料特性无法保证稳定。因此，采用高温或者低温镀膜的工艺，将直接决定是否需要在前级加入高温固化色心的工艺。采用355nm激光辐照固化色心的原因，是因为若不采用355nm固化色心，则该材料则将处于被351nm背反光持续改性的过程中，这将不利于材料特性的稳定；而且，由于发明人在实验中还需要对透过传输反射镜的剩余351nm激光进行采样测量，若其透过率在持续改变，将导致采样测量不准确，将直接导致该材料无法使用。
步骤（5）是对传输反射镜进行镀膜，除满足1053nm基频段高反要求外，对351nm位置进行减反，要求反射率满足一次反射后能量密度满足二次反射镜损伤阈值要求，并对该元件表面膜层提出351nm损伤阈值要求（其中一次反射镜损伤阈值要求与sbs散射光能量密度一致,二次反射镜损伤阈值要求与一次反射镜反射率相关），具体的膜层实现方法参见发明专利申请：cn111235527a制作光学薄膜的方法、膜系结构、镀膜方法、激光反射镜。
本发明的目的之二，在于提供上述的传输反射镜在降低背向散射光对激光驱动器损伤风险中的应用，具体为：在传输光路中采用两件所述传输反射镜分别进行一次反射和二次反射。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用特殊方法制备了具有稳定色心并镀膜层的传输反射镜，通过表面高阈值膜层对351nm激光的减反，能够保护前级基频段的元件不受高能量密度的紫外激光损伤，同时将吸收高能量密度紫外激光的压力转移至用于第一次反射和第二次反射的传输反射镜。传统方法是在传输反射镜后加装高阈值吸收玻璃，用于保护支撑结构件，但该种方法无法避免传输反射镜后表面和吸收玻璃前后表面这三个光学表面的形成，光学表面的剩余反射将影响高能量密度紫外激光的控制效果。本发明通过γ射线辐照、高温固化色心和紫外辐照固化色心三道工序处理，三道工序相互协同，使得原对351nm激光不产生吸收的k9玻璃材料具备了稳定吸收的特性，实验测试表明该材料351nm激光损伤阈值超过2j/cm2，能够承受激光能量密度达到2j/cm2受激布里渊散射形成的sbs背向散射光，通过该材料的稳定吸收，大幅降低了入射至用于支撑反射镜的结构件表面的激光能量密度，使得结构件不被高能量密度的sbs背向散射光损伤；同时，能够避免额外引入具有光学表面的吸收玻璃，降低高能量密度紫外激光对结构件的损伤风险。
附图说明
图1为典型的高功率固体激光驱动器末级光路示意图；
图2为固化曲线图；
图3为本发明实施例中镀制高阈值反射膜的光谱设计图。
图中：1、第一传输反射镜；2、第二传输反射镜；3、终端光学组件；4、靶点；a、主激光；b、sbs背向散射光。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
一种传输反射镜，采用下述方法制备而成：
取10mm×10mm×2mm尺寸的k9光学材料（传输反射镜），经过丙酮清洗并烘干后，采用剂量率为80gy/min的伽马射线进行辐照，辐照气氛为空气，玻璃总吸收剂量为20kgy；随后将辐照完成后的样品置于300℃恒温退火炉中退火12h，经过对材料光学性能的测试，获得色心固化稳定的光学材料，其透射率稳定在77.5％附近；
然后对传输反射镜表面进行常规的光学加工；
对完成光学加工后的传输反射镜进行紫外脉冲激光500发的辐照，脉冲宽度10ns，能量密度2j/cm2；
对完成紫外激光辐照固化后的反射面镀制高阈值反射膜，其具体方法为：采用电子蒸镀的方式，镀制sio2-hfo2介质膜，光谱设计如图3所示；
采用上述方法所制得的传输反射镜，进行降低背向散射光对高功率固体激光驱动器的损伤风险，其光路仍然如图1所示，区别在于传输反射镜性能的改善；
本实施例中，sbs背向反射光初始能量密度为2j/cm2，经过第一传输反射镜反射后，最高能量密度＜1j/cm2，透射的能量密度满足金属损伤阈值，约0.3j/cm2；经过第二传输反射镜反射后，最高能量密度＜0.5j/cm2，透射的能量密度满足金属损伤阈值，约0.1/cm2。
图2和图3是根据实验结果拟合的，实际色心变化的趋势是累计一定紫外辐照剂量后，趋于稳定；目前设置的能量密度，主要是防止紫外脉冲激光对材料的损伤，过高的能量密度会对材料造成损伤。
对比例1
本对比例的传输反射镜，制备方法与实施例1相比，完成光学加工后直接进行镀膜操作，即不进行紫外激光辐照固化，其余与实施例1相同，然后利用该传输反射镜采用相同的光路进行试验，结果：
sbs背向反射光初始能量密度为2j/cm2，经过第一传输反射镜反射后，最高能量密度＜0.7j/cm2，透射的能量密度满足金属损伤阈值，＜0.1j/cm2；经过第二传输反射镜反射后，最高能量密度＜0.25j/cm2，透射的能量密度满足金属损伤阈值，约0.03j/cm2；
紫外辐照的目的主要是稳定色心，如果不加入紫外辐照固化这个步骤，实际上，未固化的暗化k9吸收系数将降低，以致无法满足吸收系数的需求；固化的暗化k9吸收系数将增加，由于初始的吸收系数的需求基本一致，吸收系数的增加将导致吸收系数过高，过高的吸收系数将导致紫外损伤阈值的降低，最终导致易损伤。当然，更不用说部分传输反射镜还要求在背面加入取样测量，吸收系数的改变，将使得测量结果完全不准。最终的阈值要求是一致的，本申请是通过γ辐照的剂量、高温固化的温度来调节最终的吸收系数。
对比例2
本对比例的传输反射镜，制备方法与实施例1相比，伽马射线进行辐照后不进行高温固化色心，直接进行光学加工后进行镀膜操作，其余与实施例1相同，然后利用该传输反射镜采用相同的光路进行试验，结果：
sbs背向反射光初始能量密度为2j/cm2，经过第一传输反射镜反射后，最高能量密度＜0.6j/cm2，透射的能量密度满足金属损伤阈值，将小于0.1j/cm2；（此时材料吸收系数过高，在紫外激光的辐照过程中可能造成损伤。）经过第二传输反射镜反射后，最高能量密度＜0.5j/cm2，透射的能量密度满足金属损伤阈值，将小于0.03/cm2。随使用时间的增加，由于紫外激光的连续辐照，其吸收系数将持续变低，最终的吸收系数将取决于紫外激光辐照的能量密度和发次情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种传输反射镜，其特征在于，采用下述方法制备而成：
（1）采用高能射线辐照k9光学传输反射镜；
（2）高温退火固化步骤（1）所述传输反射镜的色心；
（3）光学加工步骤（2）处理后的传输反射镜表面；
（4）紫外激光辐照固化步骤（3）处理后的传输反射镜色心；
（5）在步骤（4）加工后的传输反射镜反射面镀制高阈值反射膜。
2.根据权利要求1所述的传输反射镜，其特征在于：步骤（4）中，紫外激光辐照固化传输反射镜色心的方法为：采用脉冲宽度为8ns-10ns，能量密度在1.5j/cm2-2j/cm2的紫外脉冲激光，光谱范围为350nm-360nm，辐照发次450发以上。
3.权利要求1所述的传输反射镜在降低背向散射光对激光驱动器损伤风险中的应用，其特征在于：在传输光路中采用两件所述传输反射镜分别进行一次反射和二次反射。
技术总结