拼接光栅缝隙对激光脉冲光强分布的影响

以拼接光栅作为色散元件的激光脉冲压缩器中,要求脉冲压缩光栅表面光强分布均匀、能量输出效率高。利用菲涅耳-基尔霍夫衍射原理对脉冲压缩光栅表面光强和远场光强分布进行了研究。计算了拼接光栅缝隙宽度对光栅表面光强变化量和远场光强极大值的影响。在利特罗角附近入射时发现激光脉冲光强分布与拼接光栅缝隙宽度相关,得出了光栅拼接缝隙宽度应控制在0.5 mm以内。适当提高缝隙衍射效率能够改善光强分布均匀性和提高光能量输出,提出了对拼接缝隙采用两次重复曝光以提高其衍射效率的方法。     

温度对潜望式激光通信终端SiC反射镜性能影响

分析了温度梯度和均匀温度对潜望式激光通信终端反射镜形变的影响,利用椭圆域上的Zerni-ke多项式对椭圆反射镜的波前进行拟合,计算由于热形变导致的波前畸变误差,给出了星间激光通信终端反射镜均方根值、发射光束瞄准误差、接收端光强随温度梯度和均匀温度的变化关系。结果表明:温度梯度对反射镜的影响只是引起峰值光强的漂移和少许下降,当温度梯度为14℃/m时瞄准误差达2.1μrad。均匀温度会引起接收端的光强分布变化,从而导致很大的瞄准误差和光强衰减,当均匀温度与参考温度的差值小于0.6℃时,由波前畸变误差引起的瞄准误差小于1μrad,当差值大于0.6℃时,瞄准误差突然增大到几μrad,接收端光强分布发生变化,此时反射镜热形变引起的像散项对光强分布起重要作用。     

真空环境中紫外脉冲激光对熔石英抗损伤能力的影响

在10-3Pa的高真空环境下,利用355nm的紫外脉冲激光以低于石英基片零概率损伤阈值的能量密度对其进行重复多次的全口径扫描,目的是为了研究石英基片在接受不同剂量的紫外激光辐照后其抗损伤能力的变化和原因.通过辐照过程中损伤点的扩展程度以及辐照后的抗损伤测量表明,高真空环境下紫外脉冲激光辐照后的石英基片抗损伤能力明显降低,降低的幅度更多的与其接受激光辐照的次数有关,辐照能量密度的影响相对较小;通过荧光及X射线光电子能谱(XPS)检测发现,紫外脉冲激光辐照后石英基片表面氧缺位的增加是导致其抗损伤能力下降的主要原因,其程度也直接与接受辐照的紫外脉冲激光剂量相关.     

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.     

激光诱导介质击穿中的脉冲截断问题

强激光与介质相互促进作用过程中,当自由电子的密度达到介质的损伤阈值时,介质将被击穿,脉冲的后续能量被激光等离子体强烈吸收而引发截断,这个时间点定义为截断时间点.脉冲的截断时间点对激光脉冲能量的传输有很大的影响.理论研究了入射激光脉冲能量对脉冲截断时间点分布的影响.定量分析和模拟了截断时间点对脉冲能量透过率的影响.模拟结果和实验结果符合很好.研究发现:激光脉冲能量透过率由脉冲截断时间点的位置决定.当脉冲截断时间点分布在脉冲前沿、峰值和后沿时,激光脉冲能垦的透过率分别对应小于50%,等于50%和大于50%.在线测量激光脉冲能量的透过率也可作为一种在线检测光学元件是否发生破坏的方法.     

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。     

1064 nm激光对中性密度滤光片的损伤机理研究

中性密度滤光片的典型结构是在K9玻璃上镀金属膜,来实现对激光的有效吸收.由于损伤阈值较低,严重限制了其在高能激光系统中的应用.实验研究了较高激光能量密度下滤光片的损伤形貌和损伤机理.损伤形貌的变化特征是:随着激光能量密度的增加,滤光片先出现损伤点,后以损伤点为中心产生裂纹,且裂纹长度逐渐变长,最终连接成线状和块状,导致大面积的薄膜脱落.建立了缺陷吸收激光能量升温致中性密度滤光片表面薄膜损伤的模型,计算了薄膜表面的温度和应力分布,讨论了薄膜表面不均匀温升造成的径向、环向和轴向热应力分布.理论分析显示:环向应力是造成薄膜沿径向产生裂纹的主要原因.当激光能量密度大于约2.2 J/cm²,杂质粒子半径大于140 nm且相邻杂质粒子之间的距离小于10 μ m时,裂纹才能大量连接起来引起薄膜的大面积脱落.     

脉冲激光引起铜膜镜面的环形损伤波纹研究

 用波长1.06μm、半高宽10ns的脉冲Nd:YAG激光辐照铜膜镜面，在激光辐照区，用光学显微镜观察到有规律的环形波纹状损伤图案，波纹平均周期约几十μm。通过对光路系统分析，认为样品前的小孔光阑对激光产生了菲涅尔衍射，使得在样品表面光强分布变成周期性环状分布。在极短的相互作用时间内，热扩散很小，损伤图案依赖于光强分布。并依据实验参数，用柯林斯公式对样品表面的光强分布进行了计算，所得光强分布的周期与损伤波纹的周期基本一致。     

激光等离子体效应对细胞烧蚀特性研究

研究对比了激光直接辐照、聚焦辐照以及激光等离子体辐照三种辐照方式下,洋葱表皮细胞的烧蚀特征,并基于激光辐照的热力学特性对细胞的温升以及相变过程进行分析。观察发现： 直接辐照对细胞的杀伤效果很不明显;聚焦辐照会引起焦点附近细胞的断裂以及脱水;激光等离子体辐照作用下,细胞会呈现大面积的去除,断裂边缘粗糙,且细胞层有叠加现象。理论分析发现,激光等离子体具有热效应、辐射电离及冲击波效应等,会增加激光脉冲能量到细胞的沉积、以及对细胞冲击剥离等,从而会大大增加细胞的杀伤范围和效率,可用于对细胞进行大面积杀伤。     

三倍频熔石英激光损伤的吸收前驱体

 在三倍频熔石英激光损伤研究中,吸收前驱体的存在是造成熔石英材料表面损伤阈值远低于体损伤阈值的主要原因。以吸收作为主线,建立吸收前驱体引起的熔石英表面损伤模型,并讨论吸收前驱体与熔石英表面损伤的联系。针对金属元素微粒残留理论模拟了激光辐照过程中微粒周围温度场的变化,结果表明在脉冲时间内微粒周围温度很快到达损伤判据所给出的临界温度,通过激光损伤实验,证实吸收性微粒含量与损伤密度有密切联系。针对亚表面裂纹,建立一维模型计算受激后裂纹表面附近自由电子密度分布。计算结果和实验结果均表明：金属元素微粒和亚表面裂纹是熔石英激光损伤中重要的吸收前驱体,金属元素微粒对激光能量的吸收致使周围材料温度在脉冲时间内达到损伤判据温度2 000 K;受激后裂纹表面的自由电子密度达到1021 cm-3的水平,可导致对后续激光的强烈吸收;两种吸收前驱体极大降低了熔石英材料的表面抗损伤性能。     

重复脉冲激光辐照光学材料的热力效应

在建立高斯型重复脉冲激光辐照光学材料模型的基础上,得到了圆柱型光学材料的二维温度场和热应力的解析解.以K9玻璃为例,通过数值计算得到同条件下重复脉冲激光对光学材料的损伤阈值.研究表明：在高斯型重复脉冲激光辐照下,损伤阈值受到脉冲数目、宽度、重复频率以及脉冲激光光斑半径的影响,多数情况下K9玻璃会发生热应力损伤.     

General design basis for a final optics assembly to decrease filamentary damage

The high-power laser beam in the final optics assembly of high-power laser facilities is often modulated by contamination particles, which may cause local high light intensity, thereby increasing the filamentary damage probability for optical components. To study the general design basis for a final optics assembly to decrease the risk of filamentary damage,different-sized contamination particles deposited on a component surface are simulated to modulate a 351-nm laser beam based on the optical transmission theory, and the corresponding simulation results are analyzed statistically in terms of the propagation characteristic and the light field intensity distribution of the modulated laser beam. The statistical results show that component thickness and distance between components can to some extent be optimized to reduce the appearance of local high light intensity, and the general design basis of component thickness and arrangement are given for different control levels of particle sizes. Moreover, the statistical results can also predict the laser beam quality approximately under the existing optics design and environmental cleanliness. The optimized design for final optics assembly based on environmental cleanliness level is useful to prolong the lifetime of optics and enhance the output power of high-power laser facilities.     

Fabrication of apodized apertures for laser beam attenuation

To obtain maximum energy output from a high-power laser system it is necessary to carefully shape the input beam's cross-sectional intensity profile. This avoids diffraction-produced hot spots which can cause damage to the amplifier components. The intensity should be at a maximum in the central part of the beam and fall of gradually at the edges to avoid hard-edge diffraction effects. This kind of beam profile can be produced using an apodized aperture — a soft-edged aperture that may be constructed in various ways. This report describes a photographic rotating-film technique for fabricating apodized apertures from photo-sensitive glass plates.     

高强度纳秒激光与K9光学玻璃体损伤的实验研究

通过把脉宽为lOns、波长为1064nm的激光脉冲聚焦通过K9玻璃的方法，研究了玻璃的损伤形貌特点与高强度纳秒激光脉冲的关系。当激光脉？中聚焦在样品中心时，产生的破坏点的特点为前端大，后端小，并且纵向出现裂纹，使用高强度激光与物质相互作用时产生的激光支持的爆轰波特点解释了这些破坏特点。当激光脉冲聚焦在样品表面时，产生的破坏特点是串状的，即带有点状破坏的丝状破坏，这是由于内部缺陷或颗粒和动态自聚焦作用的结果。     

Diffraction of a modulated laser beam in 3ω optics system

Based on diffraction optical theory, diffraction of a laser beam with periodic amplitude modulation and phase distortion is derived in 3ω optics system. Influence of defocus distance and focal length of a focusing lens on intensity distribution of diffraction light is investigated by numerical simulation. The results show that appropriate distance away from the focus spot and increase the focal length in final optical systems are beneficial to control the modulation of light intensity fluctuations and reduce the optical components damage caused by small-scale self-focusing effect.     

高功率激光传输过程中散射点对光束质量的影响

为了研究高功率激光传输过程中不透明颗粒引起的光束调制,通过分析这些不透明颗粒的形状和分布特点,建立了位置呈随机分布的高斯状散射点模型,从光束的衍射理论和干涉叠加理论出发,得到该模型下散射点对传输光束质量影响的解析式。数值分析了高斯状散射点的大小、密度、散射面积比及其传输距离对输出光束的近场分布、位相分布和光束透过率的影响,结果显示亚毫米量级散射点的衍射效应引起最大调制可达1．4,光学元件散射面积比小于0．003时才能满足元件透过率大于99．5％的需求。该结果可用于评价高功率激光装置光学元件的加工状况,并对光学元件加工要求和激光装置的洁净度要求有指导意义。     

激光聚焦位置对K9光学玻璃损伤的影响

 利用脉宽为10 ns、波长为1 064 nm的激光脉冲聚焦通过K9玻璃的方法,研究了玻璃的损伤形貌与高强度纳秒激光脉冲聚焦位置的关系。当激光脉冲聚焦在样品中心时,吸收能量随着入射能量的增加呈线性增长,玻璃的破坏范围不断扩大;当激光脉冲聚焦在样品表面时,吸收能量随着入射能量的增加呈先增长而后减小最终趋于平稳,玻璃表面的破坏范围也是先增大而后减小趋于平稳,这主要是由于空气被击穿而吸收大量能量引起的。     

Laser cleaning of particle and grease contaminations on the surface of optics

In the high power laser facility, surface contaminations on the optics will worsen the laser beam quality and damage the optics. Particle and grease contaminations are two of the usual contaminations on the surface of optics. In this work, the 1064-nm laser induced plasma shockwave cleaning is utilized to remove SiO₂ particle contaminations on the K9 glass surface. The results indicate the removal ratio can reach above 95%. The effects of parameters (particle position, laser gap distance and laser energy) on the cleaning efficiency have been studied in the case of single pulse laser cleaning. In addition, CO₂ laser (10.6 μm) is utilized to remove the dimethylsilicone oil contaminations on the gold-coated K9 glass surface. The results show that CO₂ laser can effectively remove the dimethylsilicone oil by properly controlling the laser parameters. The cleaned area increases with the increased laser power or irradiation time when the other parameters are constant.     

脉冲CO2激光辐照K9玻璃的热力效应分析

利用有限元法对脉冲CO2激光辐照K9玻璃样品中的温度和应力分布进行了数值分析。对半径为20mm、厚为2mm的圆盘样品的计算结果表明，K9玻璃的损伤由环向应力控制，体损伤先于面损伤产生，且光斑半径和脉冲数目对损伤闽值有较大的影响，在激光光斑半径为5mm，脉宽为10肛s的条件下K9玻璃的单脉冲CO2激光的损伤闽值为0．5J，相应的能量密度为0．637 J／cm^2。损伤闽值随光斑半径的增大而增大，随脉冲数目的增加而变小。讨论了样品半径和厚度对损伤结果的影响，结果表明样品半径在10-20mm范围内所产生的拉伸应力较小。     

光纤耦合激光束输出光空间分布及其影响因素分析

通过分析光纤出射端面的光强分布,研究了光纤传输过程中激光二极管出射光束进入光纤时的指向角对出射端面光场分布的影响.提出一种影响光纤输出端光场的新因素,对数值孔径和光纤芯径两个影响因素进行了补充.在光纤传输过程中,将激光二极管出射的光束等效为大量光线,在二极管输出光的位置以及空间分布确定的情况下,使用光线追迹方法依次分析了单束和多束光的指向角以及光纤长度对出射面光强分布的影响.结果显示:单束入射光指向角的偏差会引起光纤输出端面光强极值位置的偏移,多束的情况可以导致光纤输出端光强呈现明显的环状分布,得出了入射光束指向角的偏差是影响光纤出射面光强分布和峰值位置的重要因素的结论,而光纤长度的变化对上述分布状况同样存在影响.