熔石英光學(xué)元件CO₂激光條形碼制備研究

王海軍 吳乾坤 欒曉雨

中圖分類號(hào)：TH74;O441;TB34DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2204-5640-9497

作者簡介：王海軍（1976—），男，大專，主要從事光學(xué)元件激光損傷修復(fù)工作。

摘要：分別采用連續(xù)和脈沖CO₂激光在熔石英元件表面制備條形碼。采用連續(xù)CO₂激光制備的線條內(nèi)部表面光滑，光散射信號(hào)極弱，但邊緣有大范圍的燒傷沉積物，展現(xiàn)出較強(qiáng)的光散射信號(hào)，不能形成滿足條形碼要求的散射光強(qiáng)度分布。采用脈沖光掃描制備的條形碼掃描線條可以形成整體較均勻的光散射信號(hào)，散射光強(qiáng)度分布滿足條形碼要求，并可以被商用條碼掃描器識(shí)別。

關(guān)鍵詞：熔石英光學(xué)元件 ?CO₂激光器 ?條形碼 ?散射光

Studies of Bar Code Preparation Using CO2 Laser on Fused Silica Optics

WANG Haijun ?WU Qiankun ?LUAN Xiaoyu

（Laser Fusion Research Center， China Academy of Engineering Physics， Mianyang， Sichuan ?Province， 621900 China）

Abstract： Bar?codes on the surface of fused silica optics are prepared by using continuous and pulsed CO2 lasers， respectively. The bar prepared by continuous CO2 laser has smooth inner surface， showing weak light scattering， but there are a large range of burned sediments on the edge， showing a strong light scattering signal， which cannot form a scattered light intensity distribution that meets the requirements of the bar code.?The bar prepared by pulsed CO2 laser shows uniform scattering light， and the distribution of scattering light intensities satisfy the demand of bar?codes， which can be recognized by commercial bar?code scanners.

Key Words： Fused silica optics; CO2 laser; Bar code; Scattering light

為了盡可能獲得更高的輸出能量，用于慣性約束聚變研究的大型高功率固體激光裝置的一個(gè)顯著特征是其終端光學(xué)組件中的大口徑熔石英元件在三倍頻激光光路段‘跨線運(yùn)行，即：熔石英元件日常運(yùn)行在三倍頻激光損傷閾值和損傷增長閾值之上^[1-3]。維持裝置在如此高的通量下運(yùn)行，除了應(yīng)用科學(xué)的方法盡可能提高熔石英元件的抗激光損傷性能之外，一個(gè)重要措施是采用元件循環(huán)使用策略，在保持元件損傷增長可控的前提下，提升裝置的運(yùn)行通量。美國NIF在2009年至2019年累計(jì)完成了10000塊熔石英元件的循環(huán)修復(fù)處理，精準(zhǔn)管控激光損傷的能力支撐了其長期在8 J/cm²以上的高通量下運(yùn)行。面對(duì)大量的元件循環(huán)維護(hù)，在循環(huán)的各個(gè)流程中如何快速精準(zhǔn)地識(shí)別元件是迫切需要的基本能力。Spaeth等人報(bào)導(dǎo)了由點(diǎn)組成的三角和矩形符號(hào)標(biāo)識(shí)元件。Conder等人報(bào)導(dǎo)了在元件邊緣的非通光區(qū)制作由一系列點(diǎn)構(gòu)成的不規(guī)則K字形符號(hào)標(biāo)識(shí)元件。但是，在元件的循環(huán)使用信息管理中，采用K字形、三角形或矩形等特殊形狀的標(biāo)識(shí)必須對(duì)應(yīng)開發(fā)專用的識(shí)別方法，不能直接對(duì)接現(xiàn)有的物流管理系統(tǒng)，因此，掌握常用編碼方式在熔石英元件上的制備機(jī)制是便利元件循環(huán)使用的強(qiáng)烈需求。

條形碼是當(dāng)代自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中運(yùn)用最廣泛而又最成功的信息載體，解決了給計(jì)算機(jī)快速準(zhǔn)確地輸入信息這一難題^[4-6]。條形碼是由一組規(guī)則排列的條、空及其對(duì)應(yīng)字符組成的標(biāo)記，“線條”指對(duì)光線反射率較低的部分，“空白”指對(duì)光線反射率較高的部分，并能夠用特定的設(shè)備識(shí)讀，轉(zhuǎn)換成與計(jì)算機(jī)兼容的信息。激光可以在各種材料表面快速刻寫出不易擦除、耐久性好的標(biāo)記，幾乎所有的材料都可以采用激光進(jìn)行打標(biāo)，包括金屬、塑料、陶瓷、半導(dǎo)體、木材、紙甚至食品等。但是，由于高功率激光裝置對(duì)熔石英光學(xué)元件的特殊要求，不能采用處于近紫外-可見光-近紅外波段的激光在熔石英元件上制作星狀放射性微損傷點(diǎn)的方式制備條形碼，因此，還未見任何可滿足高功率激光裝置工程應(yīng)用需求的熔石英光學(xué)元件條形碼激光制備的報(bào)導(dǎo)。本研究探索一種利用脈沖CO₂激光制備適用于大型高功率固體激光裝置熔石英元件循環(huán)使用的條形碼。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品為Corning 7980熔石英，尺寸為100 mm×100 mm×10?mm，表面精拋光，實(shí)驗(yàn)前采用去離子水在超聲波環(huán)境下進(jìn)行清洗，然后用高純酒精脫水處理。

熔石英條形碼制備實(shí)驗(yàn)采用商用射頻激勵(lì)CO₂激光器，波長10.6μm，最高額定輸出功率為200W，具備脈沖和連續(xù)光兩種工作模式。實(shí)驗(yàn)中，脈沖模式采用頻率1000Hz，脈寬5μs;連續(xù)光模式采用輸出功率15W。CO₂激光器輸出光束首先通過擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，然后進(jìn)入二維掃描振鏡，再通過焦距100mm的場(chǎng)鏡聚焦在樣品上，聚焦光斑1/e²直徑約為150?μm。條形碼由振鏡控制軟件生成，在熔石英表面制作以Code 128碼編碼的“A1234”的條形碼，振幅掃描速度對(duì)于脈沖模式和連續(xù)光模式均為100mm/s。熔石英激光掃描線形成高散射的表面對(duì)應(yīng)條形碼的“空白”，激光掃描線間隔高透對(duì)應(yīng)條形碼條的“線條”。采用Nikon-LV100光學(xué)顯微鏡觀察制備條形碼表面形貌。采用Lasertec共聚焦顯微鏡表征制備條碼的三維輪廓。采用自制的大口徑元件暗場(chǎng)掃描系統(tǒng)，采集制備條碼的散射光信號(hào)分布;采用商用條碼掃描器識(shí)別在熔石英表面制備的條形碼，驗(yàn)證其可識(shí)別性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 熔石英CO₂激光掃描線顯微形貌

熔石英元件表面采用連續(xù)和脈沖CO₂激光制備的條形碼顯微圖像如圖1所示。可以觀察到連續(xù)光激光掃描線內(nèi)部為光滑的表面，掃描線邊緣有大范圍的燒傷沉積物。脈沖激光掃描線內(nèi)部可以觀察到為一個(gè)個(gè)圓斑拼接而成，表面粗糙，掃描邊緣有較少的燒傷沉積物。

典型的三條相鄰間距142μm的連續(xù)和脈沖CO₂激光掃描線三維輪廓圖如圖2所示。連續(xù)光掃描線是截面為高斯型的溝槽，溝槽底部光滑，溝槽交界處有少量沉積物，溝槽邊緣有大量沉積物。脈沖光掃描線幾乎為平面，沒有形成明顯的燒蝕凹坑，內(nèi)部為強(qiáng)光散射的粗糙表面。

2.2 熔石英CO₂激光制備條形碼光散射圖

采用自制的大口徑元件暗場(chǎng)圖像檢測(cè)系統(tǒng)表征在熔石英上制備的條形碼光散射信號(hào)分布特征^[6]，如圖3所示。從暗場(chǎng)圖可以看出連續(xù)激光制備的條形碼光散射信號(hào)，掃描線邊緣氣化燒蝕物展現(xiàn)出強(qiáng)烈的光散射信號(hào)，掃描線交接處由于有氣化燒蝕物沉積同樣展現(xiàn)出較強(qiáng)的光散射，然而掃描線光滑的高斯坑內(nèi)部高透光而展現(xiàn)出極弱的光散射信號(hào)。這導(dǎo)致連續(xù)光掃描線拼接難以形成展現(xiàn)出強(qiáng)烈光散射的“空白”，并且掃描線邊緣大量沉積的燒蝕沉積物的光散射擠占低反射率的作為“線條”的掃描線之間的間隔。相反，脈沖光掃描形成的條形碼掃描線拼接區(qū)域形成整體較均勻的光散射信號(hào)，并且掃描線邊緣較少的氣化燒蝕沉積物沒有強(qiáng)烈的光散射，不擠占掃描線之間的間隔。

圖3中左側(cè)的8條連續(xù)和脈沖CO₂激光在熔石英上制備的條形碼“空白”的散射光強(qiáng)度分布如圖4所示。可以觀察到連續(xù)CO₂激光制備的條形碼的散光光強(qiáng)度分布完全不滿足條形碼要求，這與其顯微形貌觀察一致。連續(xù)光掃描線只有相交處和邊緣有散射信號(hào)，導(dǎo)致掃描線拼接形成的要求均勻強(qiáng)散射的條形碼“空白”出現(xiàn)劇烈的光強(qiáng)波動(dòng)，不能被識(shí)別為一個(gè)整體。同時(shí)掃描線邊緣的大量沉積物形成的強(qiáng)散射光信號(hào)出現(xiàn)在條形碼要求為低散射的“線條”中。最終造成連續(xù)CO₂激光制備的條形碼的“空白”和“線條”的比例完全偏離編碼要求，條碼掃描器不能識(shí)別。脈沖CO₂激光采用掃描線拼接形成的條形碼“空白”具有足夠強(qiáng)的光散射，雖然“空白”內(nèi)部光強(qiáng)度有一定波動(dòng)，但是整體相對(duì)低散射的“線條”仍然足夠強(qiáng)，可以超過識(shí)別閾值，被識(shí)別為一個(gè)整體。脈沖CO₂激光較少的燒蝕沉積引起的光散射較弱，不影響要求低散射的“線條”。因此，脈沖CO₂激光制備的條形碼的“空白”和“線條”的比例合適，采用條碼掃描器掃描可以有效識(shí)別。

3 結(jié)語

分別采用連續(xù)和脈沖CO₂激光在熔石英元件表面制備條形碼。采用連續(xù)CO₂激光制備的線條內(nèi)部表面光滑，邊緣有大范圍的燒傷沉積物。采用脈沖CO₂激光制備的線條表面粗糙，邊緣有較少的燒傷沉積物。光散射表征顯示連續(xù)激光制備的條形碼光散射信號(hào)，掃描線邊緣氣化燒蝕物展現(xiàn)出強(qiáng)烈的光散射信號(hào)，掃描線交接處由于有氣化燒蝕物沉積同樣展現(xiàn)出較強(qiáng)的光散射，然而掃描線光滑的高斯坑內(nèi)部高透光而展現(xiàn)出極弱的光散射信號(hào)，散射光強(qiáng)度分布完全不滿足條形碼要求。脈沖光掃描形成的條形碼掃描線拼接區(qū)域形成整體較均勻的光散射信號(hào)，并且掃描線邊緣較少的氣化燒蝕沉積物沒有強(qiáng)烈的光散射，不擠占掃描線之間的間隔，散射光強(qiáng)度分布滿足條形碼要求，并可以被商用條碼掃描器識(shí)別。

參考文獻(xiàn)[1] A. B. Zylstra， O. A. Hurricane， D. A. Callahan， et al.?Burning plasma achieved ininertial fusion[J].?Nature，?2022， 601：542-548.