高重复频率激光脉冲光束大小对吸收玻璃损伤特征的影响

针对高重复频率对吸收性滤光片损伤问题,研究了高重复频率(kHz量级)激光脉冲的光束半径大小对吸收玻璃的形貌特征和损伤机理.研究发现在总的激光作用个数、单脉冲能量和脉冲作用频率固定时,吸收玻璃的损伤特性发生很大变化:在光束半径较大时,激光能量分散,主要损伤形貌是熔化破坏;随着光束半径的减小,激光脉冲能量变得集中,热量的累积效果变得明显,逐渐变成熔化破坏和气化破坏;当激光光束半径小到一定程度,则会由于光强过大使得介质表面发生击穿而产生激光等离子体冲击波,同时由于热量沉积的集中使光束作用中心处产生超热液体,当满足相爆炸发生的条件时,气化物、液滴和固体颗粒的混合物会向外飞溅,在损伤凹陷的周围形成气化物、液滴的冷凝区和固体颗粒溅射区. 关键词： 激光诱导损伤 高重复激光脉冲 吸收玻璃 相爆炸     

多脉冲激光对K9玻璃的表面损伤实验研究

 实验研究了波长为1 064 nm、脉宽为10 ns、重复频率为1 Hz的激光脉冲对K9玻璃的表面损伤特点,给出了脉冲透过能量随激光脉冲作用次数变化的规律。采用3维立体显微镜对损伤形貌进行观察,发现K9玻璃的损伤表面呈环状分布,分为烧蚀区、微裂纹区和断裂区。随着激光脉冲个数的增加,损伤由点状破坏演变为损伤区,微裂纹逐渐增长,损伤面积逐渐增大。基于激光支持的爆轰波理论分析,激光与脆性材料的相互作用可引起微裂纹的大量增长。在多脉冲激光的作用下,K9玻璃损伤的累积效应明显,表面损伤阈值明显降低,表面裂纹增长明显,损伤面积逐渐增大;但随着激光脉冲的继续增加,这种损伤趋于稳定。     

使用多光谱手段研究熔石英断裂机理

熔石英玻璃是高能激光系统中不可缺少的光学材料,其损伤问题一直是限制系统能量提升的瓶颈之一。通过纳秒激光脉冲诱导熔石英玻璃样品产生断裂,并使用多光谱手段对断裂前后样品进行检测,从而在实验和理论上了解了样品断裂形貌及内部相变结构成因,并从宏观到微观上统一解释了断裂形貌和相变结构的关系。在激光等离子冲击波作用下,熔石英发生断裂,且冲击波作用过程中在玻璃内部产生了推动裂纹扩展的尖端环向应力。在尖端环向应力作用下,不同损伤区域形成了不同扩展速度和长度的裂纹, 按照裂纹形貌特性差异可以将断裂区分为雾化区、羽毛区、镜面区三个部分。使用透射光谱、能量散射光谱检测损伤前后样品,发现裂纹的产生引起了玻璃透过率和带隙的下降,且断裂区出现氧原子游离或缺失;使用Raman光谱检测样品损伤前后不同形貌区,发现等离子冲击波使熔石英中Si-O-Si键断裂并发生重组,导致镜面区、羽毛区、雾化区三元拓扑环和四元拓扑环宏观上对应的斯石英相和柯石英相的相对含量依次升高,破坏了材料的固有原子结构特性,使材料断裂区向高密度相转变。氧游离的发生会在玻璃内部产生的大量缺陷,从而使得玻璃透过率及带隙下降,严重影响了玻璃的性能。     

激光对金属铜微孔加工的热力学过程研究

采用纳秒激光脉冲对铜金属进行了打孔实验,对微孔形貌进行了观察并对其热力学过程进行了相应的分析。研究表明,微孔的形貌是由凹坑和周围隆起组成,坑深随着脉冲能量的增加而增加。热力学分析表明,激光辐照金属打孔需要两个基本条件：一是激光脉冲能量的沉积,使金属材料发生熔化、汽化以及电离等相变,使得材料更容易去除;激光等离子体作为二次热源会更有效把激光脉冲能量耦合到金属表面;二是激光等离子体的冲击波效应,这种效应会把发生相变的材料有效及时排出,从而有效形成微孔。     

激光烧蚀硅表面的发射光谱分析

研究了不同能量的纳秒激光脉冲聚焦到单晶硅片上时,激光等离子体的自由电子密度和温度以及损伤形貌随激光脉冲能量增加的变化规律。研究结果表明：激光脉冲击穿硅介质产生的激光等离子体的体积以及自由电子密度和温度大小,决定了硅表面损伤的形貌特点和大小。自由电子密度和温度的变化特点是：随着激光脉冲能量的增加,激光等离子体的体积不断增大,自由电子温度缓慢增加而密度基本不变。又由于激光等离子体的自由电子密度和温度呈现从中心到边缘由大到小的变化趋势,所以损伤形貌总的特点是内部区域的熔化非常充分,形成明显的周期性排列的规则条纹,且条纹的排列趋势呈现环状;中部区域熔化不充分,形成条纹不很规则;边缘区域处分界明显,有时出现等离子体产生喷溅变色痕迹。     

纳秒激光对铜靶环形损伤的实验研究

研究了光强环形分布的纳秒脉冲激光对焦前铜靶的损伤形貌随脉冲功率密度的变化规律,发现在不同功率密度下,铜靶的环形损伤中,凹、凸纹的空间周期及凹凸对比度,随脉冲能量显著变化.使用熔融、蒸发、等离子体吸收和屏蔽及冲击硬化的观点,定性地解释了不同脉冲能量激光作用下烧蚀区不同形貌的成因.     

355 nm纳秒紫外激光辐照下熔石英前后表面损伤的对比研究

为了理解前后表面损伤不对称性的物理内涵, 利用阴影成像技术研究了纳秒紫外激光诱使熔石英光学元件表面损伤的时间分辨动力学过程.研究表明,纳秒紫外激光与熔石英作用过程中前后表面损伤的物理机理是完全不同的.前表面处空气中等离子体和冲击波较强, 等离子体的屏蔽作用抑制了余脉冲能量的沉积, 降低了元件损伤程度.而后表面处等离子体吸收激光能量膨胀, 对后表面冲击作用更为严重, 形成的等离子体电子密度可达到10²³cm^-3以上, 反射部分激光能量与入射的激光余脉冲干涉, 使得 关键词： 熔石英 激光诱使损伤 阴影成像技术 光学元件表面     

时空分布的超短激光脉冲烧蚀电介质材料时等离子体的产生

若考虑聚焦平面内固定区域,脉冲空间分布可简化为一维问题.在此基础上,从脉冲的传输过程出发,本文分析了时空分布的超短激光脉冲与电介质材料相互作用时等离子体形成模式.在材料内部累积的能量与脉冲宽度、与空间相关的损伤区域、等离子体形成时间及其吸收系数有关.     

纳秒激光在铜靶材中诱导冲击波的实验研究

基于聚偏二氟乙烯压电传感器, 对铜靶材中纳秒激光脉冲诱导的冲击波传播过程进行了实验研究, 给出了铜靶材内冲击压强随激光脉冲能量和靶材厚度的变化规律. 实验结果表明: 500 mJ激光脉冲能量作用到2 mm厚的铜靶材产生的冲击压强达到2.1 MPa; 激光脉冲能量从200 mJ 增加到500 mJ, 在铜靶材厚度为2和4 mm条件下, 冲击压强分别增加了162%和231%; 而当铜靶材厚度从2 mm增加到6 mm时, 在400和500 mJ激光脉冲能量作用下, 铜靶材内冲击压强分别降低了32%和49%.     

激光等离子体效应对薄膜损伤特性的影响

高能激光的发展对光学元件的抗损伤能力要求越来越高,其中光学薄膜是最薄弱的环节之一。实验研究了激光的聚焦位置对石英基片上HfO2/SiO2减反射薄膜损伤形貌的影响,研究发现:激光等离子体的高压冲击波对薄膜产生强烈的冲击剥离效应,其压强随膨胀半径的增加而迅速减小。激光等离子体光谱的辐射波长小于入射激光波长,这会增强薄膜对辐射光能量的吸收;位于深紫外波段、能量大于HfO2薄膜带隙的光子能量,将被薄膜直接吸收,从而加剧薄膜的电离破坏。激光等离子体的辐射效应和冲击波效应的共同作用决定了薄膜的损伤形貌。当激光聚焦到薄膜表面时,冲击波压强极大会使薄膜发生大面积的电离去除,同时基底发生击穿;当两者距离大到一定距离时,冲击波只会使得中心处小面积薄膜发生剥离,基底未出现断裂。     

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。     

飞秒激光对高反膜的破坏及其超快动力学过程

研究了800nm飞秒激光照射下45°高反膜ZrO2-Si O2的破坏及其超快动力学过程。利用原子力显微镜和扫描电镜观察了材料的烧蚀形貌,测量了破坏阈值与脉冲宽度、烧蚀深度与脉冲能量的依赖关系。随着脉冲宽度从50fs增加到900fs,其烧蚀阈值从0.35J/cm2增加到1.78J/cm2。烧蚀深度与激光能流密度近似成对数关系。当激光强度略高于烧蚀阈值时,材料很快被烧蚀到几百纳米,烧蚀深度表现出明显的层状特性。同时,利用建立的抽运探针实验系统,测量了高强度抽运脉冲作用下材料对探针光的反射率随延迟时间的变化,揭示了薄膜烧蚀的超快动力学过程。实验结果表明高反膜表层的材料对烧蚀特性有重要影响。     

飞秒激光对氟化镁烧蚀机理研究

用扫描电镜(SEM)研究了氟化镁在800nm超短脉冲激光作用下的单枪表面烧蚀形貌.根据烧蚀斑面积与激光脉冲能量间的对数关系，测得烧蚀阈值与激光脉宽的关系曲线(55—750fs).计算了导带电子的双光子吸收，改进了多速率方程模型，很好地解释了实验结果. 关键词： 飞秒激光 氟化镁 烧蚀机理 双光子吸收     

吸收杂质热辐射诱导光学薄膜破坏的热力机制

光学元件的破坏是限制高功率激光系统发展的主要问题,理解光学元件的破坏机制对于高功率激光系统的设计、运行参量选择以及器件技术发展有重要影响.以热辐射模型为基础研究了杂质吸收诱导光学薄膜破坏的热力过程.研究发现薄膜发生初始破坏所需时间很短,脉冲的大部分时间是引起薄膜发生更大的破坏.在考虑吸收杂质发生相变的情况下,计算了吸收杂质汽化对薄膜产生的蒸汽压力,论证了薄膜发生宏观破坏的可能性.此模型能很好地解释光学薄膜的平底坑破坏形貌.     

Damage threshold of lithium niobate crystal under single and multiple femtosecond laser pulses: theoretical and experimental study

The damage threshold of lithium niobate crystal under single and multiple femtosecond laser pulses has been studied theoretically and experimentally. Firstly, the model for the damage threshold prediction of crystal materials based on the improved rate equation has been proposed. Then, the experimental measure method of the damage threshold of crystal materials has been given in detail. On the basis, the variation of the damage threshold of lithium niobate crystal with the pulse duration has also been analyzed quantitatively. Finally, the damage threshold of lithium niobate crystal under multiple laser pulses has been measured and compared to the theoretical results. The results show that the transmittance of lithium niobate crystal is almost a constant when the laser pulse fluence is relative low, whereas it decreases linearly with the increase in the laser pulse fluence below the damage threshold. The damage threshold of lithium niobate crystal increases with the increase in the duration of the femtosecond laser pulse. And the damage threshold of lithium niobate crystal under multiple laser pulses is obviously lower than that irradiated by a single laser pulse. The theoretical data fall in good agreement with the experimental results.     

脉冲压缩光栅的激光损伤机理及阈值提升技术研究进展

总结了激光辐射条件下脉冲压缩光栅的激光诱导损伤机理,探究了表面形貌、加工方式、结构缺陷以及表面污染等因素对光栅损伤造成的影响,从微观损伤机理的角度阐释了产生损伤的内在原因。在脉冲压缩光栅的激光预处理、加工工艺及表面污染物的去除等方面,分析了实现光栅损伤阈值提升的内在因素,给出了提升光栅损伤阈值的技术措施。根据影响光栅损伤阈值的因素,提出在光栅运行过程中采用多种措施组合的方式来提升光栅的激光诱导损伤阈值。脉冲压缩光栅激光损伤机理和阈值的研究对脉冲压缩光栅系统的稳定运行具有实践意义,为激光装置高能量密度的输出奠定基础。最后,提出了光栅激光诱导损伤研究的科学与技术问题,为脉冲压缩光栅激光诱导损伤阈值的提升提供新的思路,服务于重大科学装置和重要技术领域的发展。     

1.06μm连续与脉冲激光对GaAs材料的联合破坏效应

 通过1.06μm连续激光和脉冲激光联合破坏GaAs材料的实验研究, 给出了GaAs材料在三种不同的连续激光功率密度辐照下, 所需脉冲激光的破坏阈值, 结果表明, 联合破坏时所需脉冲激光的破坏阈值小于单独使用脉冲激光的破坏阈值。根据轴对称二维热模型, 计算了三种情况下连续激光辐照时GaAs材料的表面温度分布曲线及表面辐照中心处温升随辐照时间的关系, 并估算了其后作用的脉冲激光对材料的温升, 对实验及计算结果进行了分析, 并着重比较了联合破坏方式和单独破坏方式的优缺点。     

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。     

Recrystallization of germanium surfaces by femtosecond laser pulses

The damage morphology of germanium surfaces using femtosecond laser pulses of various fluences and number of pulses is reported. The single pulse damage threshold in the present experiment was 9.7±4.0×10⁻¹³ W/cm². The experimental threshold value was compared with theory, considering the damage threshold as the melting threshold. The cooling rate calculated on the basis of present results is 2.4×10^15°C/s. Recrystallization was the common feature of the damage morphology. For fluences greater than the single pulse damage-threshold micropits and spherical grains of micron size were formed in the damaged surface. Ablation (surface removal) was also observed at higher fluences (at two or three times of damage threshold value). The damage morphology, induced by multiple pulses, was unaffected for linear and circular polarization.     

强激光辐照下纯铝动力学响应和层裂的数值模拟

 采用改进的损伤度函数模型,该模型将材料损伤断裂看作为一种典型的逾渗过程,根据逾渗临界准则,采用应力松弛函数来描述损伤后期微损伤之间的连通效应,考虑了损伤对材料本构的影响,对纯铝在强激光辐照下的动态力学响应和层裂破实验进行了数值模拟。通过高斯分布激光脉冲压力加载,计算分析了激光与样品相互作用。计算结果表明：损伤演化明显地改变了材料力学响应以及样品中波传播特性,计算较精确地再现了实测自由面速度随时间的变化过程。根据计算结果分析了损伤演化过程,485 μm厚样品中损伤的分布主要集中在距离样品后界面100 μm 范围内,具有明显的损伤局部化特征,最大损伤值为11.2%。