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夹杂物和气泡的均匀性和散射

夹杂物和气泡的均匀性和散射

This is Sections 1.6 and 1.7 of the Laser Optics Resource Guide.

均匀性

光学基片的均匀性描述折射率变化的特征,会导致透射波前的变形和偏振透射效应。1 它的计算方式为:

(1)$$ \Delta s= d \times \Delta n $$

∆s is the wavefront deviation, d is the substrate thickness, and ∆n is the P-V variation in refractive index. A high degree of homogeneity, or rather, a low degree of variation, is especially important for applications with high-powered lasers. 材料熔化的过程会使均匀性发生变化。混合不当和热力学不平衡导致密度变化,冷却和退火过程可能导致应变波形。非均匀性采取全局不均匀性(即整块玻璃的折射率变化)或条纹的形式,这是覆盖大约0.1mm 到 2mm 的玻璃的局部均匀性。表 1 所示定义一般均匀性分类的最大折射率变化。

SCHOTT 均匀性分类 ISO 10110 第 4 部分 均匀性分类 根据 ISO 10110 第 4 部分,折射率的最大变化 根据 ISO 12123 和SCHOTT 光学玻璃目录,折射率的最大变化
 S0 0 ±50 × 10-6  - 
 S1 1  ±20 × 10-6  -
 H1 1  ±20 × 10-6  40 × 10-6
 H2 2  ±5 × 10-6  10 × 10-6
 H3 3  ±2 × 10-6  4 × 10-6
 H4 4  ±1 × 10-6  2 × 10-6
 H5 5  ±0.5 × 10-6  1 × 10-6
表 1: 均匀性的分类及其最大折射率变化值2

梯度折射率 (GRIN) 透镜只是有意非均匀透镜的一个例子,这种透镜具有用于非线性弯曲光线的非随机和确定性折射率剖面(图 1)。

图 1: 比较均匀透镜与 GRIN 透镜将光聚集到点
图 1: 比较均匀透镜与 GRIN 透镜将光聚集到点

Non-homogeneity causes scattering, which degrades system performance and could lead to laser induced damage from high-power lasers. To prevent damage, as well as efficiently use energy, it is important for transmissive laser optics to be highly homogenous and thereby avoid deformation of the transmitted wavefront and polarizing transmission effects.

杂质和气泡造成的散射

杂质是存在于光学玻璃中的外来颗粒,它们以多种方式被引入,包括熔化过程中的污染、未完全熔化的基片批次和溶解率较低的墙体材料。气泡也是由玻璃熔体中发生的反应形成的。在玻璃熔炼过程中,气泡几乎完全消失,但不完美的熔炼过程可能会留下一些残余气泡。精密的制造工艺可确保光学玻璃几乎没有杂质和气泡,但少量残余是不可避免的。在激光光学元件中,由于杂质会散射光线,因此会降低激光诱导损伤阈值 (LIDT)。影响的程度取决于玻璃中夹杂物的数量、性质和大小。

玻璃的杂质和气泡的浓度是通过体积为 100cm3 的材料的总横截面(以 mm2 为单位)得出的,计算方法为所测气泡和杂质的横截面之和。为每个横截面定义每100cm3体积允许的最大气泡直径和数量。夹杂物被视为相同大小的气泡。三个气泡分类包括:标准、VB(增加气泡选择)和EVB(额外增加气泡选择)。

  标准 VB EVB

每 100cm3 玻璃的的最大横截面 (mm2)

0.03

0.02

0.006

每 100cm3 体积 (cm3) 的

10

4

2

 

标准

VB

EVB

最大数量 (cm3) 单个气泡允许的最大直径 (mm)
800 0.55 0.45 0.25
500 0.44 0.36 0.20
300 0.34 0.28 0.15
200 0.28 0.23 0.12
100 0.20 0.16 0.09
50 0.14 0.11 0.06
表 2: 光学介质中的气泡和夹杂物的分类3

参考文献

  1. F. Reitmayer and E. Schuster, "Homogeneity of Optical Glasses," Appl. Opt. 11, 1107-1111 (1972)
  2. “TIE-26: Homogeneity of Optical Glass.” Schott, February 2016.
  3. “TIE-28: Bubbles and Inclusions in Optical Glass.” Schott, May 2016.
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