飞秒激光对镍基合金的损伤机制和阈值行为

针对飞秒激光加工镍基单晶高温合金材料,在能量密度为0~12.8J/cm2和脉冲个数为0~8000范围内,对表面损伤和加工侧壁区域进行了显微形貌分析,研究了不同能量密度和脉冲个数情况下的损伤机制,不同损伤机制的损伤阈值和热效应。镍基单晶高温合金经飞秒激光加工后,呈现两种损伤机制,分别为非热熔性损伤和热熔性损伤,单脉冲损伤阈值分别为0.23J/cm2和1.21J/cm2,孕育系数分别为0.90和0.92。在此基础上,建立了损伤机制和损伤阈值与能量密度和脉冲个数的定量关系,实验结果对加工无微裂纹和无再铸层的高质量镍基航空器件的工艺选择有实际指导意义。     

光学材料的多脉冲激光损伤研究

研究了ＺＦ２玻璃多脉冲与单脉冲激光损伤，分析了多脉冲损伤阈值与脉冲数，脉冲间隔的关系，进行了多脉冲损伤机理的分析，得出多脉冲损伤是热和缺陷累积共同作用最终促成雪崩击穿的结果，并提出了提高抗多脉冲激光损伤的方法。     

飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。     

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。     

单脉冲和多脉冲飞秒激光对单层光学薄膜的损伤

 利用掺钛的蓝宝石飞秒激光系统输出的单脉冲和多脉冲飞秒激光(中心波长800 nm，脉宽50 fs，靶面聚焦直径Ф 40 μm)，分别对BK7玻璃基底上厚约500 nm的单层HfO₂和单层ZrO₂薄膜进行辐照，得到了这两种薄膜在1-on-1和1 000-on-1测试方法下的激光损伤阈值。实验发现，两种方法下HfO₂单层膜的阈值均比ZrO₂单层膜的阈值高。从简化的Keldysh多光子离化理论出发，认为HfO₂薄膜材料的带比ZrO₂的宽是导致上述结果的主要原因。同时，同一种薄膜的多脉冲下的阈值比单脉冲下的低，原因是多脉冲下，飞秒激光对光学薄膜的损伤存在累积效应。     

多脉冲激光作用下光学薄膜损伤的累积效应

研究了高反射膜在多脉冲激光作用下损伤的累积效应.实验中使用1064nm调Q的Nd∶YAG激光器,脉宽是12 ns,频率为10 Hz.实验发现:高反射膜的损伤阈值随辐照脉冲数增加而降低,表现出明显的累积效应.通过对损伤阈值和损伤概率以及辐照次数的统计性研究,并结合单脉冲辐照的结果,说明了存在于薄膜中微小的缺陷参与了多脉冲激光对薄膜的损伤过程,得到了制备IBS高反射膜的损伤阈值和照射次数的关系式,用Nomarski偏光显微镜观察了实验过程中样品的损伤形貌,发现是典型的缺陷损伤.     

飞秒激光多脉冲烧蚀镍钛合金的数值模拟

为了研究飞秒激光多脉冲累积效应对镍钛合金材料的影响,通过考虑多脉冲之间的时间间隔改写激光光源项,利用改进的双温模型,采用有限差分法,对飞秒激光三脉冲烧蚀镍钛合金的温度场分布进行数值模拟,得到了电子和晶格温度随时间和烧蚀深度的演化规律.分析了多脉冲累积效应的内在机理;讨论了三脉冲条件下不同参量对电子和晶格温度的影响.结果表明:镍钛合金在飞秒激光三脉冲的作用下,电子有3个递增的峰值温度,相比单脉冲的作用,三脉冲使电子和晶格温度明显升高;多脉冲的时间间隔直接影响多脉冲的累积效应;脉冲宽度影响电子的峰值温度和达到峰值温度所用的时间;激光能量密度影响电子和晶格的温度;电声耦合常量对电子与晶格的耦合时间和电子晶格的平衡温度也有重要影响.     

高温合金不同脉宽超快激光作用下多脉冲去除阈值

实验研究了激光脉冲宽度和脉冲个数对镍基高温合金材料去除阈值的影响,分别在290 fs,1 ps和7 ps脉宽的激光下,使用1,10,50,100,300,500和1000个不同能量的激光脉冲辐照高温合金样品表面。实验结果表明,烧蚀坑尺寸会随脉冲数的增加而增加,而脉冲宽度的增加会加大脉冲个数对烧蚀坑直径的影响。通过烧蚀坑直径的平方值与激光脉冲能量之间存在的对数关系,得到了不同脉冲宽度下镍基高温合金的多脉冲材料阈值。3种不同脉宽下的高温合金多脉冲去除阈值都存在显著的累积效应。根据去除阈值计算得到290 fs,1 ps和7 ps脉宽下的累积效应系数分别为0.88,0.86和0.78。     

重复率激光作用下光学薄膜损伤的累积效应

使用脉宽12 ns,频率10 Hz的1064 nm调Q NdYAG激光器,研究了高反射膜在重复率激光作用下的损伤的累积效应.实验发现,高反射膜的损伤阈值随辐照脉冲数增加而降低,表现出明显的累积效应.通过对损伤阈值和损伤概率以及辐照次数的统计性研究,并结合单脉冲辐照的结果,说明了存在于薄膜中微小的缺陷参与了多脉冲激光对薄膜的损伤过程.可用预损伤机制解释实验结果.得到了关于IBS制备的高反射膜的损伤阈值和照射次数的关系式,并用实验结果进行验证,发现具有很好的一致性.实验过程中样品的损伤形貌通过Nomarski偏光显微镜进行了观察,发现是典型的缺陷损伤.     

飞秒激光打孔硅的孔洞形貌研究

在飞秒激光打孔硅材料过程中,为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响,建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21J/cm2,符合实验模型测得的阈值0.20~0.25J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr,等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5J/cm2增大到3.0J/cm2,烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1μm,同时脉宽从150fs减小到50fs,烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时,基于时域有限差分法,控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃,激光能量越接近孔底中心,越易引发该范围内的等离子体激发;且在不同偏振态光束辐照下,孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构,可使后续脉冲能量集中孔底中心区域,打孔效果更好.     

飞秒激光微加工Au膜

飞秒激光微加工薄膜对于MEMS设备的制造是一个急需的技术。文章使用波长为775 nm的Ti: sapphire飞秒激光器(脉宽约为130 fs, 频率为1 000 Hz)研究厚度为4 μm的Au薄膜,在不同加工参数下的结构特性,发现单脉冲消融时消融直径随着脉冲能量的增大而增大。当单脉冲能量一定时,消融直径随着脉冲的个数变化不大。计算得到Au膜的单脉冲消融阈值为F_th＝0.7 J·cm-2,使用脉冲能量略大于阈值时,在薄膜上所划出的线为凸起状;当超过阈值时所得直线为凹起状。同时发现在脉冲能量一定时所得线宽随着加工速度的增加而减小;当加工速度一定时线宽随着能量的增加而增大。     

飞秒激光脉冲能量累积优化对黑硅表面形貌的影响

在黑硅表面制备的微结构可以使其获得多种表面功能,这些功能在太阳能、探测器等领域具有广泛的应用.因此,黑硅微结构的形成机理及制备条件优化一直是研究关注的焦点.本文的研究发现,随着激光辐照量(提高单脉冲能量或增加积累脉冲数)的增加会遇到形貌尺寸生长的瓶颈效应:过多的能量累积对微结构的优化和控制并没有进一步的作用.理论计算结果表明,产生这一现象的原因是前序飞秒激光脉冲诱导产生的微结构形貌对当前激光脉冲能量的吸收产生了调制,使当前激光脉冲的有效烧蚀效率降低.根据这一飞秒激光烧蚀规律,提出了一种优化表面形貌的新方案——在辐照激光总能量一定的条件下,通过改变激光能量的分配方式(单脉冲能量与脉冲数的组合)可实现表面形貌的优化.这一新的工作方式不但可以提高黑硅的制备效率,而且还有助于减少飞秒加工过程带来的表面缺陷及损伤,并降低加工过程中的能源消耗.这一研究成果对黑硅性能的进一步提升及其工程应用具有重要的意义.     

激光损伤阈值单脉冲激光测量方法

利用二元相位光栅的特点，设计一个具有特定相位分布的相位光栅，在单色波的照明下，使某些特定位置的菲涅耳像变成一个振幅光栅即光斑阵列。如果该光斑阵列的光强按照一定关系分布，将阵列光斑作用于实验样品上，能确定出各个光斑对应的损伤，就能从一次激光脉冲辐照中得出样品损伤阈值。激光光束为高斯光束，入射高斯光束通过二元相位光栅分解成类高斯分布的点阵并对样品进行辐照，研究衍射点阵中各点的一阶峰值能量密度分布和样品的损伤情况，可以单脉冲激光确定光学薄膜的损伤阈值。     

飞秒激光脉冲作用熔石英的超快传热动力学研究

飞秒激光具有超短脉冲宽度、超高峰值功率的特点,飞秒激光与物质作用表现出的非线性吸收和低热扩散特性,使其在高精密微纳器件加工中有着重要的应用前景。建立了针对飞秒激光脉冲与熔石英作用的瞬态光电离以及非平衡传热的超快动力学模型。通过数值求解该模型获得了飞秒激光单脉冲作用熔石英的载流子密度和非平衡电子与声子温度的时空演化;得到了在非平衡态条件下,电声耦合时间随激光能量密度、脉冲宽度的近线性调控规律。进一步研究得到了瞬态电子热导、热容、电声耦合系数的变化规律,并对上述模拟现象进行了分析和探讨。     

PMP泡沫的飞秒激光烧蚀及切割方法

对密度为90 mg/cm3的PMP泡沫材料的飞秒激光烧蚀结果进行了分析,推导出该材料在脉宽50 fs、波长800 nm、重复频率为1000 Hz的飞秒激光作用下的蚀除阈值为0.91 J/cm2（100个激光脉冲）,获得了烧蚀直径分别随激光功率、脉冲数及聚焦物镜数值孔径的变化规律。相同飞秒激光加工系统下,对比了铜箔上获得的烧蚀形状,确定了PMP泡沫材料本身的多孔洞及其分布不均匀是造成烧蚀区域的形状不规则的重要因素。PMP泡沫在较高能量或是较长时间的飞秒激光作用下,烧蚀区域发生碳化的原因是由热作用引发的。提出了一种基于激光束耦合的飞秒激光切割厚度大于1 mm的薄膜-泡沫材料的方法,并获得了切割厚度大于1.5 mm、切割侧壁与光束光轴夹角小于5、切割面整洁的薄片。     

多脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀效应

 开展了脉宽为40 fs的不同数量激光脉冲对锗材料的烧蚀效应实验,采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜等方法对不同数量的飞秒激光脉冲作用下锗材料表面烧蚀区进行了检测,并对作用后材料烧蚀形貌演化规律进行了分析,初步分析了锗材料烧蚀区周围形成的不同环区的形貌特征及成因,对各环区烧蚀形貌特征随激光作用脉冲数的增加而产生的形貌演化过程进行了观测。并给出单脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀阈值为1.2 J·cm^-2,采用激光共聚焦显微镜测得该阈值条件下单个飞秒激光脉冲对锗材料的烧蚀深度约为150 nm。     

激光预处理中缺陷上的激光能量覆盖

分析了不同预处理方式下缺陷上的激光能量的覆盖特点。理论分析表明,相同预处理效率下,单步预处理缺陷上激光能量覆盖率优于多步预处理。实验研究了电子束蒸发制备的HfO2/SiO2多层高反膜的激光预处理,结果发现单步预处理后薄膜的单脉冲激光损伤阈值比相同效率的4步预处理后薄膜的单脉冲激光损伤阈值要好。采用最高能量密度为112%激光损伤阈值的5步预处理后,光学薄膜的激光损伤阈值提高了83.5%。     

平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统

为了满足快速、精确、定量地测量薄膜激光损伤阈值的要求,设计了平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统.介绍了损伤阈值测量的原理和方法,提出二分查找与顺序查找相结合的能量密度查找方式;根据分光镜的分光比及能量探测器示值求解辐照激光能量,用CCD成像法精密测量了作用在薄膜表面的激光光斑面积;基于小波变换法,通过图像处理精确识别了薄膜的损伤;建立能量密度与损伤几率坐标并进行最小二乘法拟合,对损伤阈值进行了标定.对45°高反射膜分别进行了高斯光束辐照和平顶光束辐照的测量实验,结果表明:高斯光束辐照测量的损伤阈值为9.95J/cm~2,平顶光束辐照测量的损伤阈值为13.98J/cm~2,平顶光束诱导比高斯光束诱导的损伤阈值高40.5%.     

激光、激光技术 激光安全与防护

TN2412006054041多脉冲激光作用下光学薄膜损伤的累积效应=Accumula-tion effect of multi-shot laser-induced damage to opticalcoatings[刊,中]/王涛(中科院上海光机所光学薄膜技术研发中心.上海(201800)),赵元安…//光子学报.—2006,35(6).—859-862研究了高反射膜在多脉冲激光作用下损伤的累积效应。在对重复率激光对高反膜的损伤实时监测的基础上,对损伤阈值和照射脉冲激光数目的关系进行了统计分析研究,并提出了可能的损伤机制。图6参11(严寒)TN2412006054042光学元件的激光损伤阈值测量=Laser damage thresholdmeasurement of th…     

渐变折射率Ta_2O_5/SiO_2薄膜多脉冲激光损伤特性

采用离子束溅射(IBS)的方式,制备了1064nm高反射Ta2O5/SiO2渐变折射率光学薄膜。对其光学性能和在基频多脉冲下抗损伤性能进行了分析。通过渐变折射率的设计方式,很好地抑制了边带波纹,增加了1064nm反射率。通过对损伤阈值的分析发现,随着脉冲个数的增加,损伤阈值下降明显;但是在20个脉冲数后,损伤阈值(维持在22J/cm2左右)几乎保持不变直到100个脉冲数。通过Leica显微镜对损伤形貌的观察,发现损伤诱因是薄膜表面的节瘤缺陷。通过扫描电镜(SEM)以及聚集离子束(FIB)对薄膜表面以及断面的观察,证实了薄膜的损伤起源于薄膜表面的节瘤缺陷。进一步研究得出,渐变折射率薄膜在基频光单脉冲下损伤主要是由初始节瘤缺陷引起的,在后续多脉冲激光辐照下初始节瘤缺陷引起烧蚀坑的面积扩大扫过薄膜上的其他节瘤缺陷,引起了其他节瘤缺陷的喷射使损伤加剧,造成损伤的"累积效应"。