超短脉冲激光照射下氧化铝的烧蚀机理

利用烧蚀面积与激光脉冲能量的线性关系，确定了氧化铝的破坏阈值，同时采用散射光探测法，研究了800和400nm超短脉冲激光作用下氧化铝的破坏阈值对激光脉宽的依赖关系，并探讨了氧化铝的烧蚀规律. 利用雪崩击穿模型，解释了实验结果，并讨论了导带电子光吸收机理. 关键词： 飞秒激光 氧化铝 破坏阈值 雪崩模型     

激光与材料参数对瞬态SBS 诱导的激光超声破坏效果的影响

 通过数值求解一维瞬态受激布里渊散射（SBS）声光耦合波方程，从理论上分析了泵浦激光参数及光学材料参数对SBS过程发生阈值的影响。以SBS过程中建立起来的应力场抗拉（压）强度和散射场的反射率为判据，分析了激光脉宽及作用区域长度对激光超声破坏材料效果的影响，探讨了短脉冲激光（约ns）引起的激光超声对材料的破坏机理；讨论了通过参数配置有效遏制SBS过程激光超声对光学材料的破坏问题。     

光纤中的瞬态SBS过程的数值分析与探讨

 通过数值方法得到了光纤中的瞬态SBS过程中耦合波和声场的强度分布图，从而分析了光纤中瞬态SBS的发生过程以及光纤长度、泵浦脉宽等因素对SBS反射率及阈值的影响，据此提出了一种新的光纤相位共轭器。     

强激光对铜反射镜的热破坏效应

本文给出了一个激光对光学材料表面热破坏效应的简化物理模型及数值研究结果。所得到的铜反射镜热破坏阈值与激光脉宽的关系与实验和理论符合很好。提出了反射镜后表面外冷却临界厚度的概念,并得到一个关于多脉冲积累效应的幂定标关系。     

飞秒激光烧蚀石英玻璃的实验与理论研究

实验研究了800nm飞秒激光作用下石英玻璃的破坏机理和烧蚀规律，给出了破坏阈值与脉冲宽度的关系.发展了雪崩击穿模型，计算了材料的烧蚀阈值与脉冲宽度的依赖关系，烧蚀深度、烧蚀体积与脉冲能量的依赖关系，研究了导带电子的扩散对材料中激光能量的沉积、分布，以及材料的破坏阈值和烧蚀规律的影响. 关键词： 飞秒激光脉冲 破坏机理 石英玻璃 电子扩散     

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.     

不同脉冲宽度355 nm波长激光诱导DKDP晶体损伤特性

研究了用于三倍混频的Ⅱ类DKDP晶体在35 ps,850 ps和7.6 ns三种不同脉宽355 nm波长激光作用下的损伤特性。实验对比分析了损伤阈值、概率和损伤针点形貌、尺寸和密度,并根据损伤阈值及概率得到前驱体阈值及密度。结果表明,前驱体的激光能量吸收量与脉宽线性相关。35 ps激光作用下DKDP有一种前驱体吸收激光能量形成熔融状损伤针点。850 ps激光作用下有两种前驱体吸收激光能量并产生力学破坏形成中心熔融四周断裂的损伤针点。7.6 ns激光作用下只有一种前驱体吸收激光能量,并且形成的损伤针点与850 ps对应的损伤针点有相同特征。     

水的衰减系数及有效增益长度对受激布里渊散射输出能量的影响

本文从理论和实验上分析了水的衰减系数及有效增益长度对受激布里渊散射(SBS)输出能量的影响。实验结果表明,衰减系数越小,SBS输出能量越高。由于脉宽压缩效应,当入射光能量足够高并且有效增益长度相对较长时,SBS易获得高能量而形成极高的峰值功率。一旦这种峰值功率超过受激拉曼散射(SRS)或者二阶SBS阈值,SBS就会作为一个新的激发源去激发SRS或者二阶SBS,从而消耗掉部分SBS的能量,所以会出现后向有效增益长度越长,SBS的输出能量越低的现象。 关键词： 受激布里渊散射 衰减系数 有效增益长度 脉宽压缩     

力学边界对透射型光学元件激光破坏阈值的影响

 建立了激光与透射型光学元件相互作用的热弹性力学模型,解析求解了自由、固定以及一种人为边界条件下光学元件热-力学响应的定解问题。研究发现,不同的边界条件对破坏阈值有很大的影响。针对光学元件中热应力的演变情形,设计了一种“最佳”边界,消除了激光作用过程中产生的拉应力,从而使破坏阈值在理论上达到最大值。     

超短脉冲照射下氟化锂的烧蚀机理及其超快动力学研究

研究了超短脉冲激光照射下LiF晶体的破坏机理及其超快动力学过程,利用扫描电镜和原子力显微镜等测试手段,观测了飞秒激光照射下LiF晶体的烧蚀形貌。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的对数关系确定了LiF晶体的破坏阈值,并利用非线性玻璃棒展宽脉宽,得到了800nm激光作用下LiF破坏阈值对激光脉宽（50～1000fs）的依赖关系;利用抽运一探针超快探测平台,探测了LiF烧蚀过程中反射率的变化。采用雪崩击穿模型,并根据晶体材料反射率与材料的介电常量的依赖关系,通过数值计算,模拟了材料烧蚀阈值与脉宽的依赖关系及材料激发过程中反射率的变化关系。结果表明,理论结果与实验结果符合较好。讨论了飞秒激光照射下LiF晶体中导带电子数密度的变化规律,并解释了相应的实验结果。     

熔石英相位共轭镜无损工作状态分析

基于非线性光学耦合波方程组建立了聚焦泵浦条件下熔石英玻璃材料中SBS过程的物理模型并编制了相应的数值求解程序,研究了SBS介质内激光场的时空发展特征,从而试图揭示SBS介质的内在破坏机制并寻求相应的加固措施.通过数值模拟程序研究了焦点处激光功率密度以及SBS反射率与激光能量的依赖关系,发现SBS对介质内的激光场具有"限幅"作用,即在注入能量大幅度提升的情况下,内部的激光场强度只有较小的增加,这种机制使大能量的固体介质PCM成为可能.分析激光脉宽以及耦合透镜焦距等参数对SBS过程的影响发现,精细选择系统参数,在熔石英玻璃材料中有可能无损伤地实现高效的SBS过程.     

The damage of the optical components induced by the stimulated Brillouin scattering

A theory of excitation of ultrasonic waves in the stimulated Brillouin scattering (SBS) process is presented in this paper. By using several reasonable approximations, a numerical calculation of the transient longitudinal SBS shows that large amplitude of acoustic waves can be built up by the nanosecond pulse of high-power laser, which may result in the damage of optical glasses. The maximal density change and the maximal acoustic wave intensity in optical glasses of 5\,cm in thickness are calculated by using different parameters of the high-energy laser, such as the intensity, the pulse width, and the wave length. The damage threshold of the optical glasses is about 80 GW/cm^{2} when using a 1064 nm laser. The dynamic mechanism of SBS is the electrostriction effect of the components coupling with the high-power laser.     

2ns大口径高功率激光对光学玻璃材料破坏研究

报道了应用诺曼斯基（Ｎｏｍａｒｓｋｉ）偏振光干涉仪测量Ｋ８玻璃和掺钕硅酸盐玻璃材料在高功率大口径激光照射后坏阈值，并分析了破坏机理，发现在纳秒脉冲激光作用下，破坏的主要机制是受激布里渊散射激发声波引起的材料破坏。     

双谐激光场作用下SBS过程诱导的光学材料破坏

 提出了光学 力学相干耦合的概念，采用非线性光学的耦合波理论，建立了高功率激光辐照下透明光学材料中相干声波的产生、演化的动力学模型。探讨了在泵浦激光场和Stokes激光场共同作用下受激布里渊过程对光学材料破坏的可能性，计算了稳态情况下激光场在材料内部激发出的应力幅度，结合弹性力学，建立了透明光学材料的相干破坏阈值理论，研究了破坏阈值与Stokes光强的关系，发现在稳态下破坏阈值对Stokes光强并不敏感。分析了在实际情况下一些因素对材料破坏的影响。     

Surface damage morphology investigations of silicon under millisecond laser irradiation

The surface damage morphologies of single crystal silicon induced by 1064 nm millisecond Nd:YAG laser are investigated. After irradiation, the damage morphologies of silicon are inspected by optical microscope (OM) and atomic force microscope (AFM). The plasma emission spectra of the damaged region are detected by the spectrometer. It is shown that surface oxidation and nitridation have occurred during the interaction of millisecond laser with silicon. In addition, the damage morphologies induced by 2 ms and 10 ns pulse width laser are compared. The damage morphology obtained by 2 ms laser is an evident crater. Three types of damage morphologies are formed at different laser energy densities. The circular concentric ripples are found surrounding the rim of the crater. The spacing of the ripples is 15 ± 5 μm. Two types of cracks are observed: linear crack and circular crack. The linear crack is observed in the center of the damaged region which propagates to the periphery of the damaged region. The circular crack is located at the rim of the crater. The damage morphology induced by 10 ns laser is surface layer damage. The periodic linear waves are generated due to the interference between the incident beam and the scattered beam. The spacing of the ripples is 1.54 μm which is close to the incident laser wavelength 1.064 μm. The linear crack is located at the center of the damaged region. Furthermore, for the same laser energy density, the dimension of the damaged region and the crater depth induced by 2 ms laser are greater than that of 10 ns laser. It indicates that the damage mechanism under millisecond pulse laser irradiation is strongly different from the case of nanosecond pulse laser.     

脉宽对中红外激光带内损伤HgCdTe材料的影响

研究了脉宽对于中红外脉冲激光带内损伤碲镉汞（HgCdTe）材料阈值的影响,使用一维自洽模型对激光辐照HgCdTe材料程中的载流子数密度,载流子对数目流,载流子对能流,载流子温度和材料晶格温度等相关参数进行仿真计算。仿真结果表明,波长2.85 μm,脉宽30 ps～10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值为200～500 mJ/cm2。其中,300 ps～3 ns脉冲激光的损伤阈值相近,均为200 mJ/cm2且低于其他脉宽激光的损伤阈值。搭建实验光路并进行相关实验验证仿真模型的正确性。实验发现,波长2.85 μm、脉宽300 ps的单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值在200 mJ/cm2左右。相同条件下,10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值约474 mJ/cm2。百皮秒脉冲激光对HgCdTe材料的损伤过程结合了热击穿和光学击穿效应,其独特的毁伤机理加剧了材料的损伤。     

Statistical approach to bulk inclusion initialized damage in films

In experiments, we have found an abnormal relationship between probability of laser induced damage and number density of surface inclusion. From results of X-ray diffraction (XRD) and laser induced damage, we have drawn a conclusion that bulk inclusion plays a key role in damage process. Combining thermo-mechanical damage process and statistics of inclusion density distribution, we have deduced an equation which reflects the relationship between probability of laser induced damage, number density of inclusion, power density of laser pulse, and thickness of films. This model reveals that relationship between critical sizes of the dangerous inclusions (dangerous inclusions refer to the inclusions which can initialize film damage), embedded depth of inclusions, thermal diffusion length and tensile strength of films. This model develops the former work which is the statistics about surface inclusion.     

硅光电二极管激光损伤阈值随激光脉宽的变化

 对飞秒激光辐照下硅光电二极管损伤阈值进行了实验测量，对从1s到60fs不同脉宽激光辐照下硅光电二极管损伤阈值进行了讨论。实验数据表明，在1s到10ns脉宽范围内损伤所需能量密度近似而非严格地与脉宽的平方根成正比。信号分析表明硅光电二极管的损伤主要由热效应造成，而60fs激光辐照下的损伤阈值为0.1J/cm2，明显偏离普通温度分布预言的趋势。     

多脉冲激光辐照下介质损伤理论研究

针对纳秒脉冲和飞秒脉冲不同的损伤机制,分别建立了两种多脉冲激光损伤模型。脉宽小于10 ps时,损伤是由于等离子体形成造成介质发生烧蚀所致,对此建立了基于电子密度演化方程的介质击穿模型;脉宽大于100 ps时,损伤是由于热沉积造成介质发生熔融所致,对此建立了基于傅里叶热传导方程的介质热损伤模型。通过计算两种模型下激光参数和材料参数对多脉冲损伤的影响,发现由于损伤机理不同,不同参数对单脉冲损伤阈值和多脉冲损伤阈值的影响趋势不完全一致,敏感程度也不同。通过计算得到了与实验结果一致的多脉冲损伤阈值与脉冲数间关系,使定量预估多脉冲损伤阈值和元件使用寿命成为可能。