熔石英光學元件CO₂激光條形碼制備研究

王海軍 吳乾坤 欒曉雨

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

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

摘要：分別采用連續和脈沖CO₂激光在熔石英元件表面制備條形碼。采用連續CO₂激光制備的線條內部表面光滑，光散射信號極弱，但邊緣有大范圍的燒傷沉積物，展現出較強的光散射信號，不能形成滿足條形碼要求的散射光強度分布。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，散射光強度分布滿足條形碼要求，并可以被商用條碼掃描器識別。

關鍵詞：熔石英光學元件 ?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顯著特征是其終端光學組件中的大口徑熔石英元件在三倍頻激光光路段‘跨線運行，即：熔石英元件日常運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行，除了應用科學的方法盡可能提高熔石英元件的抗激光損傷性能之外，一個重要措施是采用元件循環使用策略，在保持元件損傷增長可控的前提下，提升裝置的運行通量。美國NIF在2009年至2019年累計完成了10000塊熔石英元件的循環修復處理，精準管控激光損傷的能力支撐了其長期在8 J/cm²以上的高通量下運行。面對大量的元件循環維護，在循環的各個流程中如何快速精準地識別元件是迫切需要的基本能力。Spaeth等人報導了由點組成的三角和矩形符號標識元件。Conder等人報導了在元件邊緣的非通光區制作由一系列點構成的不規則K字形符號標識元件。但是，在元件的循環使用信息管理中，采用K字形、三角形或矩形等特殊形狀的標識必須對應開發專用的識別方法，不能直接對接現有的物流管理系統，因此，掌握常用編碼方式在熔石英元件上的制備機制是便利元件循環使用的強烈需求。

條形碼是當代自動識別技術中運用最廣泛而又最成功的信息載體，解決了給計算機快速準確地輸入信息這一難題^[4-6]。條形碼是由一組規則排列的條、空及其對應字符組成的標記，“線條”指對光線反射率較低的部分，“空白”指對光線反射率較高的部分，并能夠用特定的設備識讀，轉換成與計算機兼容的信息。激光可以在各種材料表面快速刻寫出不易擦除、耐久性好的標記，幾乎所有的材料都可以采用激光進行打標，包括金屬、塑料、陶瓷、半導體、木材、紙甚至食品等。但是，由于高功率激光裝置對熔石英光學元件的特殊要求，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用需求的熔石英光學元件條形碼激光制備的報導。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使用的條形碼。

1 實驗

實驗樣品為Corning 7980熔石英，尺寸為100 mm×100 mm×10?mm，表面精拋光，實驗前采用去離子水在超聲波環境下進行清洗，然后用高純酒精脫水處理。

熔石英條形碼制備實驗采用商用射頻激勵CO₂激光器，波長10.6μm，最高額定輸出功率為200W，具備脈沖和連續光兩種工作模式。實驗中，脈沖模式采用頻率1000Hz，脈寬5μs;連續光模式采用輸出功率15W。CO₂激光器輸出光束首先通過擴束鏡擴束，然后進入二維掃描振鏡，再通過焦距100mm的場鏡聚焦在樣品上，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，振幅掃描速度對于脈沖模式和連續光模式均為100mm/s。熔石英激光掃描線形成高散射的表面對應條形碼的“空白”，激光掃描線間隔高透對應條形碼條的“線條”。采用Nikon-LV100光學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掃描系統，采集制備條碼的散射光信號分布;采用商用條碼掃描器識別在熔石英表面制備的條形碼，驗證其可識別性。

2 實驗結果

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和脈沖CO₂激光制備的條形碼顯微圖像如圖1所示?？梢杂^察到連續光激光掃描線內部為光滑的表面，掃描線邊緣有大范圍的燒傷沉積物。脈沖激光掃描線內部可以觀察到為一個個圓斑拼接而成，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的連續和脈沖CO₂激光掃描線三維輪廓圖如圖2所示。連續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，內部為強光散射的粗糙表面。

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圖像檢測系統表征在熔石英上制備的條形碼光散射信號分布特征^[6]，如圖3所示。從暗場圖可以看出連續激光制備的條形碼光散射信號，掃描線邊緣氣化燒蝕物展現出強烈的光散射信號，掃描線交接處由于有氣化燒蝕物沉積同樣展現出較強的光散射，然而掃描線光滑的高斯坑內部高透光而展現出極弱的光散射信號。這導致連續光掃描線拼接難以形成展現出強烈光散射的“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域形成整體較均勻的光散射信號，并且掃描線邊緣較少的氣化燒蝕沉積物沒有強烈的光散射，不擠占掃描線之間的間隔。

圖3中左側的8條連續和脈沖CO₂激光在熔石英上制備的條形碼“空白”的散射光強度分布如圖4所示?？梢杂^察到連續CO₂激光制備的條形碼的散光光強度分布完全不滿足條形碼要求，這與其顯微形貌觀察一致。連續光掃描線只有相交處和邊緣有散射信號，導致掃描線拼接形成的要求均勻強散射的條形碼“空白”出現劇烈的光強波動，不能被識別為一個整體。同時掃描線邊緣的大量沉積物形成的強散射光信號出現在條形碼要求為低散射的“線條”中。最終造成連續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”具有足夠強的光散射，雖然“空白”內部光強度有一定波動，但是整體相對低散射的“線條”仍然足夠強，可以超過識別閾值，被識別為一個整體。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別。

3 結語

分別采用連續和脈沖CO₂激光在熔石英元件表面制備條形碼。采用連續CO₂激光制備的線條內部表面光滑，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激光制備的條形碼光散射信號，掃描線邊緣氣化燒蝕物展現出強烈的光散射信號，掃描線交接處由于有氣化燒蝕物沉積同樣展現出較強的光散射，然而掃描線光滑的高斯坑內部高透光而展現出極弱的光散射信號，散射光強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域形成整體較均勻的光散射信號，并且掃描線邊緣較少的氣化燒蝕沉積物沒有強烈的光散射，不擠占掃描線之間的間隔，散射光強度分布滿足條形碼要求，并可以被商用條碼掃描器識別。

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