空气中飞秒激光自聚焦等离子体通道的电导特性

 通过电学探测法，采用不同焦距的聚焦透镜，在不同激光能量、不同极性外加电压的条件下，对大气中的飞秒激光自聚焦等离子体电离通道特性进行了实验研究。发现激光脉冲经不同焦距的聚焦透镜作用后均存在较长的电离通道，通道的等效电阻率有所变化，通常电阻率的最大值出现在透镜的几何焦点附近，并且焦距越长，此电阻率的局部峰值点离几何焦点位置越近。在外加不同极性电压时，自由电子受到所加静电场作用力、洛仑兹力以及有质动力的共同作用。焦点前，通道电流变化不明显，加正向电压产生的电流略微大于加负向电压时的电流；焦点后则是加负向电压产生的电流大于加正向电压时的电流。     

大气环境下飞秒激光对铝靶烧蚀过程的研究

利用时间分辨的光阴影成像技术研究了在大气环境下飞秒激光烧蚀铝靶的动态过程. 在入射激光能量为4 mJ, 激光光斑超过1 mm时, 激光烧蚀区表面物质以近似平面冲击波形式向外喷射; 在同样激光能量下、激光光斑较小时(约0.6 mm), 激光烧蚀区以近似半球型冲击波形式向外喷射. 当激光能量比较大时(7 mJ), 发现空气的电离对于激光烧蚀靶材有着重要影响. 在光轴附近烧蚀产生的喷射物具有额外的柱状和半圆型的结构, 叠加在平面冲击波结构上.     

不同实验条件对激光诱导等离子体的影响机理研究

常温常压下,采用波长532 nm的Nd:YAG纳秒激光器激发诱导空气中的铝合金,由高分辨率的光谱仪和ICCD对等离子体发射光谱采集和实现光电转换。研究激光能量、ICCD门延迟和聚焦透镜到样品表面的距离(lens-to-sample distance,LTSD)对谱线信号强度和等离子体电子温度的影响,并分析了产生影响的物理机制。结果表明,固定ICCD门延迟和LTSD,随着激光能量的增大,谱线强度和电子温度均增大;计算结果表明,当激光能量从20 mJ增加到160 mJ时,原子谱线Al I 396.15 nm,Mg I 518.36 nm,离子谱线Mg II 279.54 nm谱线强度相较于20 mJ分别提高了12.83,6.45,10.56倍。固定激光能量和LTSD,ICCD门延迟在100~4000 ns范围内变化时,随着延迟的增加,谱线强度和等离子体电子温度均呈指数形式衰减。固定ICCD门延迟和激光能量,采用焦距为75 mm的聚焦透镜,研究了LTSD对等离子体参数的影响机理。结果表明,聚焦透镜到样品的距离对等离子体的谱线强度和电子温度有较大的影响。等离子体的特征谱线强度和等离子体的电子温度的变化规律基本一致,分别在聚焦透镜到样品表面的距离为73 mm和79 mm处取得峰值,并在73 mm处对应最大值。     

1kHz飞秒激光脉冲在空气中传输成丝的演化过程

利用高重复频率(１kHz)、低能量的飞秒激光脉冲研究激光脉冲在空气中传输成丝的演化过程.采用成像的方法观测飞秒激光脉冲在大气传输过程中光束截面上光强分布变化，以及大气等离子体通道对光强分布的反作用.实验结果表明，激光脉冲在传输过程中先形成双丝结构，再逐渐合并成单丝结构.实验结果与利用非线性薛定谔方程耦合多光子电离的数值模拟结果基本一致. 关键词： 飞秒激光脉冲 等离子体通道 成像     

飞秒激光空气等离子体发射光谱的实验研究

对强飞秒激光聚焦在空气中所激发的等离子体的发射光谱进行了实验研究.结果表明,光谱特征表现为短波段(截至波长为340 nm)强烈的连续谱和长波段(波长在800 nm附近)强度相对较低的线光谱.在脉冲宽度(50 fs)保持不变而不断调节激光脉冲能量时,等离子体光谱形状的特征基本相似;当激光脉冲能量(1 mJ)保持不变而脉冲宽度从50 fs增加至500 fs和1 ps时,连续谱的峰值(500 nm)显得格外突出,并开始呈现出线光谱特征. 关键词： 飞秒激光 激光空气等离子体 发射光谱 线光谱     

激光啁啾对激光等离子体细丝传输的影响

对不同啁啾状态下的飞秒激光在大气中的成丝过程进行了研究.实验研究发现成丝状况及其演化与初始激光脉冲的啁啾状态密切相关，适当的负啁啾有利于激光的成丝传输.当初始激光脉冲的啁啾量不断变大时，激光脉冲在大气中的成丝起点位置会逐渐变远.还研究了初始脉冲啁啾量对使用聚焦透镜产生的细丝的影响，发现其与自由传输情况具有相似的变化规律. 关键词： 飞秒激光等离子体通道 脉冲啁啾     

不同样品温度下聚焦透镜到样品表面距离对激光诱导铜击穿光谱的影响

研究了不同温度下聚焦透镜到样品表面距离对激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)强度的影响,使用Nd:YAG脉冲激光激发样品并产生等离子体,探测的等离子体发射的光谱线为Cu(Ⅰ)510.55 nm,Cu(Ⅰ)515.32 nm和Cu(Ⅰ)521.82 nm.使用透镜的焦距为200 mm,测量的聚焦透镜到样品表面距离的范围为170—200 mm,样品温度从25℃升高到270℃,激光能量为26 mJ.总体上,升高样品温度能有效地提高LIBS光谱的辐射强度.在25℃和100℃时,光谱强度随着聚焦透镜到样品表面距离的增加而单调增加;在样品温度更高(150, 200, 250和270℃)时,光谱强度随着距离的增加出现先升高而后又降低的变化.同时,在样品接近焦点附近,随着样品温度的升高,LIBS光谱强度的变化不明显,还可能出现光谱强度随着样品温度升高而降低的情况,这在通过升高样品温度来提高LIBS光谱强度中特别值得我们注意.为了更进一步了解这两个条件对LIBS的影响,计算了等离子体温度和电子密度,发现等离子体温度和电子密度的变化与光谱强度的变化几乎一致,更高样品温度下产生的等离子体温度和电子密度更高.     

透镜焦距对受激布里渊散射光限幅特性的影响

采用受激布里渊散射(SBS)噪声起源理论模型，数值模拟了透镜焦距对SBS光限幅功率特性和能量特性的影响.结果表明，改变透镜焦距就可以方便的控制SBS光限幅的功率波形和输出能量.当采用焦距适中的透镜(f=15cm)时，可以得到较低的限幅输出能量；当采用短焦距的透镜(f=5cm)时，可以得到较理想的限幅功率波形.在实验上将波长1064nm、脉宽8ns、能量16mJ的Nd:YAG激光脉冲聚焦到CCl₄介质中，研究了限幅功率波形和限幅输出能量随透镜焦距的变化规律，实验结果与理论模拟相符合. 关键词： 受激布里渊散射 光限幅 数值模拟     

激光诱导等离子体开关控制脉宽实验研究

 利用激光诱导等离子体开关技术，在1 064 nm的Nd：YAG固体激光器上获得了脉宽4.4~6.4 ns的短脉冲激光输出。激光电离空气产生的等离子体开关控制脉冲宽度时，聚焦透镜焦距越短，压缩后的脉宽越窄，但激光能量损耗越大。压缩后的激光脉宽与激光能量近似成双曲线关系。在控制脉宽光路的焦点处放置带孔的Cu薄片可抑制等离子体的扩散，得到了脉宽最短可达4.4 ns的激光输出。     

平顶飞秒激光经圆锥透镜在熔融石英中成丝及超连续辐射

实验研究了平顶飞秒激光经圆锥透镜后在熔融石英中的成丝及超连续辐射.与高斯飞秒激光的成丝对比发现,平顶飞秒激光可以获得在圆锥透镜焦深区域内强度分布更为均匀的等离子体细丝,这一特征更有利于飞秒激光在固体介质中进行微纳加工等领域的应用.并且,在不损伤熔融石英的条件下,平顶飞秒激光成丝可以获得更高能量、更高转换效率的超连续辐射,这是因为若产生光强相近的细丝,平顶飞秒激光所需的初始激光能量更高,此激光能量下产生的细丝长度更长、均匀性更好.     

Direct Generation of Tunable UV Picosecond Laser Pulses Using Spectrotemporal Selection

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Picosecond pulsed laser ablation and micromachining of 4H-SiC wafers

Ultra-short pulsed laser ablation and micromachining of n-type, 4H-SiC wafer was performed using a 1552 nm wavelength, 2 ps pulse, 5 μJ pulse energy erbium-doped fiber laser with an objective of rapid etching of diaphragms for pressure sensors. Ablation rate, studied as a function of energy fluence, reached a maximum of 20 nm per pulse at 10 mJ/cm², which is much higher than that achievable by the femtosecond laser for the equivalent energy fluence. Ablation threshold was determined as 2 mJ/cm². Scanning electron microscope images supported the Coulomb explosion (CE) mechanism by revealing very fine particulates, smooth surfaces and absence of thermal effects including melt layer formation. It is hypothesized that defect-activated absorption and multiphoton absorption mechanisms gave rise to a charge density in the surface layers required for CE and enabled material expulsion in the form of nanoparticles. Trenches and holes micromachined by the picosecond laser exhibited clean and smooth edges and non-thermal ablation mode for pulse repetition rates less than 250 kHz. However carbonaceous material and recast layer were noted in the machined region when the pulse repetition rate was increased 500 kHz that could be attributed to the interaction between air plasma and micro/nanoparticles. A comparison with femtosecond pulsed lasers shows the promise that picosecond lasers are more efficient and cost effective tools for creating sensor diaphragms and via holes in 4H-SiC.     

利用单飞秒激光脉冲驱动类氖钛X射线激光的研究

提出了一种利用单飞秒激光脉冲驱动类氖钛X射线激光的物理方案.利用自相似方法研究了不同脉冲前沿的单飞秒激光辐照钛平板靶产生的类氖钛X射线激光等离子体的特性,得到了电子温度、电子密度和定标长度三者的定标律,讨论了给定输入参数下各定标律曲线的特性.研究表明,利用单个飞秒激光能够实现X射线激光的产生,而且脉冲前沿强度随时间增长平缓的飞秒激光有利于驱动X射线激光.本研究为实验上实现单飞秒激光脉冲驱动X射线激光提供了一种新的方案.     

飞秒激光在空气和水中对硅片烧蚀加工的实验研究

采用1 kHz,800 nm,50 fs—24 ps的钛宝石激光脉冲对单晶硅样品在空气和水溶液环境中的烧蚀加工特性进行了研究.实验观察到了超短脉冲激光在空气氛围中烧蚀形成的双层环状结构,分析揭示了加工区域中心和边缘的烧蚀物理机制分别为热熔化和库仑爆炸,并测量了双层环状结构半径随入射激光能量、脉冲数及持续时间等的变化关系,结果表明获取较大深-宽比的加工效果需选择小能量脉冲激光的多次作用.在水溶液环境中,实验发现飞秒激光在样品表面诱导产生了亚微米量级的多孔状结构,而皮秒激光则更容易实现对硅表面的非热性去除.这是由于激光诱导的光机械应力和空泡效应随脉冲宽度变大而增强所致,在实验上确立了区分这两种不同加工状态的临界脉冲宽度. 关键词： 飞秒激光 硅片 激光加工     

Effect of the laser fluence on structural and optical characterization of thin CdS films synthesized by femtosecond pulsed laser deposition

CdS thin films have been grown on Si(1 1 1) and quartz substrates using femtosecond pulsed laser deposition. X-ray diffraction, atomic force microscopy, photoluminescence measurement, and optical transmission spectroscopy were used to characterize the structure and optical properties of the deposited CdS thin films. The influence of the laser fluence (laser incident energy in the range 0.5–1.5 mJ/pulse) on the structural and optical characterizations of CdS thin films has been studied. The results indicate that the structure and optical properties of the CdS thin films can be improved as increasing the per pulse output energy of the femtosecond laser to 1.2 mJ. But when the per pulse output energy of the femtosecond laser is further increased to 1.5 mJ, which leads to the degradation of the structure and optical properties of the CdS thin films.     

Analysis of tunable picosecond pulse generation from a distributed feedback Ti：sapphire laser

A distributed feedback Ti:sapphire laser (DFTL) pumped by a 532nm Q-switched pulse is proposed for the generation of tunable picosecond pulses. With coupled rate equation model, the temporal characteristics of DFTL are obtained. The numerical solutions show that the DFTL pulse with a 50-ps pulse duration and as much as 3.SmJ pulse energy can be obtained under 40-m J, 5-ns pulse pumping. The dependence of output pulse width on the laser crystal‘s length, pumping pulse duration, and pumping rate is also discussed in detail.     

飞秒激光成丝诱导Cu等离子体的温度和电子密度

研究了飞秒激光成丝诱导铜击穿光谱,利用光发射光谱对产生的铜等离子体光谱强度沿着丝长度进行了测量,获得了在不同样品与聚焦透镜间距离的Cu(I)的强度分布.结果显示,由于强度钳箍效应成丝诱导的光谱在较大的透镜样品间距离范围内有较强的辐射强度.另外,利用玻尔兹曼图和斯塔克展宽计算了整个成丝繁衍距离中Cu等离子体温度和电子密度.     

输出能量4mJ的1kHz飞秒掺钛蓝宝石激光再生放大研究

针对高能量千赫兹重复频率飞秒激光的应用需求,设计了一套采用线性再生腔结构的高效率飞秒钛宝石激光啁啾脉冲放大系统.通过优化腔型设计,在重复频率为1 kHz、单脉冲能量为20 mJ的527 nm激光抽运下,将展宽后的800 nm啁啾脉冲激光的能量放大到5.8 mJ,对应斜效率达到30.7%.进一步通过色散补偿压缩脉冲宽度,获得了单脉冲能量为4 mJ、脉冲宽度为45.7 fs的输出,稳定性测量表明激光的能量抖动仅为0.18%(均方根值).     

Triggering and guiding of high voltage discharge by using femtosecond laser filaments with different parameters

This paper demonstrates the triggering and guiding of the stationary high voltage (HV) discharges at 5--40 kV by using plasma filaments generated by femtosecond laser pulses in air. A significant reduction of the breakdown voltage threshold due to the pre-ionization of the air gap by laser filamentation is observed. The discharge experiments are performed by using laser pulses with different energy from 15--60 mJ. The electron density of filaments is detected by sonography method. The influence of the electron density of laser filaments on the triggering and guiding HV discharge is experimentally investigated. The results have shown that the behaviour of plasma filaments can strongly affect the efficiency of triggering and guiding HV discharge.