光学材料微缺陷引起的损伤机理及后处理

时域有限差分方法(FDTD)作为一种数值计算方法多用于对导体材料的电磁场分布计算，本研究采用此方法对光学材料表面微缺陷(结瘤、刮痕等)作了二维电磁场分析，对亚表面缺陷(气泡、杂质等)作了三维电磁场分析。计算数据分析表明：光学材料表面及亚表面微缺陷的存在，会造成缺陷附近局部区域的场强增强，使得这些部分容易发生雪崩电离等激光损伤，且不同的缺陷形态、位置和入射光的偏振态均会使局部场强增强的大小和分布不同。图1为光学元件表面有一截面的半圆形长刮痕，TM波不同角度入射时的二维电磁场模拟计算结果。对于衍射光学元件的周期性结构，也尝试用FDTD法进行了模拟计算，为多层介质膜镀制的工艺研究提供了理论基础。总之通过本研究的场强分布计算，     

划痕缺陷对熔融石英光诱导损伤特性的影响分析

激光辐照光学材料时,经后表面反射的部分光束与入射光束干涉,在材料内部形成驻波场.若材料表面存在缺陷,缺陷会对入射光进行调制,导致材料内驻波场分布不再均匀,局部区域光强增大.为分析光学材料的场损伤特性,建立了一个划痕缺陷影响下的光学材料损伤分析模型.从电子增值理论出发,分析了划痕数量及其所在位置对材料驻波场和损伤特性的影响,并针对熔融石英材料进行了具体计算.结果表明,在入射光场不变的前提下,随着划痕数量增加,对光场的调制作用增强,材料内部驻波场的最大场强增大,熔融石英损伤阈值降低.相对亚表面和后表面划痕缺陷而言,材料上表面的缺陷对光场具有最大的调制作用,因此更容易导致材料损伤.     

光学材料亚表面缺陷处强激光电磁场分布的3维模拟

 利用时域有限差分法求解麦克斯韦旋度方程,研究了光学材料表面缺陷对入射激光场的调制作用,建立了亚表面缺陷的3维模型。以长方体表面缺陷为例,对缺陷附近的光场分布进行了3维数值计算,给出了电场强度3维分布图和缺陷不同尺寸时的最大电场强度。研究表明,相对于2维简化情况,3维表面缺陷对强激光电磁场的调制作用更加明显。     

光学元件微缺陷处电磁场分布特性的数值计算方法

 神光Ⅲ的光学系统具有高功率密度运行的特点，对光学元件的抗激光损伤能力等提出了很严格的要求。光学元件内部的微缺陷会引起局域场强增强，采用时域有限差分方法对亚波长量级的缺陷进行了电磁场的数值模拟，并对数值计算的参数选取给出了定量的判断。     

光学元件亚表面缺陷的损伤性检测方法

在磨削、研磨和抛光加工过程中产生的微裂纹、划痕、残余应力等亚表面缺陷会导致熔石英元件抗激光损伤能力下降,如何快速、准确地检测亚表面损伤成为光学领域亟待解决的关键问题。采用HF酸蚀刻法、角度抛光法和磁流变斜面抛光法对熔石英元件在研磨加工中产生的亚表面缺陷形貌特征及损伤深度进行了检测和对比分析,结果表明,不同检测方法得到的亚表层损伤深度的检测结果存在一定差异,HF酸蚀刻法检测得到的亚表面损伤深度要比角度抛光法和磁流变斜面抛光法检测结果大一些。且采用的磨粒粒径越大,试件表面及亚表面的脆性断裂现象越严重,亚表面缺陷层深度越大。     

太赫兹波在亚波长随机金属Al颗粒中的相干传播

本文报道亚波长特征尺寸的随机金属颗粒体系由于表面等离子体效应,在太赫兹（THz）电磁波段出现的异常透射现象.通过THz时域光谱实验测量,发现THz波的透射强度不仅随着金属颗粒体系的厚度减小,而且当颗粒体系的横向尺寸大于THz光斑时,透射强度会随着体系横向尺寸的增大而减小,并伴随着透射时间的延迟.同时发现,入射THz电磁场在导电粒子体系中激发的表面等离子波主要沿着体系的边界传播. 关键词： 太赫兹电磁波 金属颗粒 表面等离子体     

CO_2激光光栅式扫描修复熔石英表面缺陷的实验研究与数值模拟

基于熔石英材料对波长为10.6μm的CO2激光具有强吸收作用这一特点,提出采用CO2激光光栅式多次扫描修复熔石英光学元件表面密集分布的划痕和抛光点等缺陷的方法.实验结果表明,在合理的扫描参数下,元件表面的划痕和抛光点等缺陷可被充分地消除.损伤阈值测试结果表明,表面划痕和抛光点等缺陷被完全消除的元件的损伤阈值可回复到或超过基底的损伤阈值.同时结合有限元软件Ansys的模拟结果分析了CO2激光扫描修复及消除元件表面划痕和抛光点等缺陷的过程.本文为消除元件表面划痕和抛光点等缺陷提供了非常有意义的参考.     

熔石英亚表面缺陷附近光强分布的数值模拟

 熔石英亚表面缺陷对光场的调制是导致激光辐照场破坏的主要因素。采用有限元方法对熔石英亚表面缺陷（平面和锥形划痕）周围的光强分布进行了数值模拟。结果表明：划痕形状、几何尺寸、方位角、光的入射角等是影响划痕周围光强分布的主要因素;前表面划痕对光强的增强效果比后表面弱;在理想形状的划痕截面和表面同时发生内全反射时,平面划痕周围的光强增强效果明显。锥形划痕周围的光强分布为正确解释交叉划痕的夹角平分线附近的损伤提供了理论依据。     

金属覆层光纤探针近场特性研究

采用有限积分法对用于近场光学显微镜的旋转对称光纤探针进行了数值模拟计算,研究了光纤探针开口附近亚波长范围的电磁场及其能量密度的分布.计算结果表明,在探针外,光场为沿探针轴线方向的近逝波,其空间光场的分布与激励光场及其极化方向有关,在激励光场的极化方向出现了由感应电荷引起的边缘增强效应.同时研究了近场光纤探针的空间分辨率和样品处的电磁场能量,结果表明光纤探针孔的尺寸及其与样品的作用距离是影响探针的分辨率和样品内电磁场能量的重要因素.     

聚焦光在亚表面损伤介质中的散射特性

针对光学元件的亚表面缺陷,结合基于激光共焦层析的亚表层检测方法,建立聚焦光束在亚表面损伤介质中的传输模型,并采用有限元分析方法,仿真研究K9玻璃光学元件亚表层缺陷对聚焦光束的散射调制特性,特别对颗粒状和微裂纹两类特殊缺陷的光学调制特性进行研究和分析,探索了波长、缺陷大小、缺陷折射率及缺陷方向对聚焦光束散射特性的影响规律,通过分析包含亚表面损伤缺陷信息的光场分布图和强度变化曲线,获得了亚表面损伤缺陷的信息,并对其进行评价。     

表面划痕中残余抛光颗粒对材料热损伤特性的影响

建立了高功率激光辐照下光学表面存在划痕且残存抛光颗粒时的热损伤分析模型,对这种复杂缺陷条件下的光学材料热损伤性能进行了研究。利用有限差分法计算了不同尺度抛光颗粒处于划痕中不同位置时光学材料表面的光场调制和温度场的分布。根据表面温度分布,得到了对应条件下光学材料的热损伤阈值变化规律。结果表明:除了抛光颗粒半径对材料损伤阈值存在影响外,当抛光颗粒位于划痕宽度方向不同位置时,材料的热损伤阈值也会有比较明显的变化;当位于划痕中心时,抛光颗粒对材料光场调制最强,更容易造成材料的熔化损伤。     

CO2激光对熔石英表面小尺寸损伤的修复

 利用10.6 μm的CO₂激光对不同直径的点状损伤和不同宽度的划痕进行了修复。经过波长351 nm的紫外激光考核发现,对于直径小于80 μm的点状损伤和对于宽度小于40 μm的划痕,随着损伤点尺寸和划痕宽度的增加,修复后阈值提高程度逐渐降低。划痕的宽度在达到40 μm以后修复效果非常微弱。修复过程中,由于作用时间较短及温度分布不均产生了热应力导致样片损伤以后产生径向裂痕,后续的紫外激光会使裂痕明显扩展。当样品被置于高温退火炉内退火3 h以后,应力导致开裂的现象得到了解决。     

激光诱导光学材料后表面损伤的数值模拟

 采用3维时域有限差分方法和完全匹配吸收层,模拟了长方体缺陷在熔石英前后表面时对入射激光为TM波的调制作用,绘出了截面上的电场强度分布及最大电场强度随熔石英深度变化的曲线,并进行了比较和分析。结果表明：缺陷在前表面上时,后表面附近的最大电场强度2.522 41 V/m大于缺陷附近的1958 83 V/m;缺陷在后表面上时,材料中的最大电场强度为2.799 38 V/m,且出现在后表面附近。无论该缺陷在前表面还是在后表面,最大电场强度都是出现在后表面附近,表明光学材料的后表面在一定程度上更容易被损伤。     

熔石英亚表面横向划痕调制作用的3维模拟

建立了熔石英后表面3维横向划痕模型,并采用3维时域有限差分方法对熔石英亚表面划痕周围的电场强度进行了数值模拟,分析了划痕宽度、深度、长度以及划痕倾斜角度对入射光场的调制作用,结果表明:随划痕深度和划痕长度的增加,熔石英内的最大电场强度增大,且当划痕长度达到1μm以上时,最大电场强度趋于稳定;划痕结构因子在1~2之间的划痕较容易引起熔石英损伤;而入射激光在划痕界面和后表面之间发生内全反射时,后表面上的光强增强效果更加明显,因此减少角度范围在20.9°~45°之内的划痕能大幅提高熔石英的损伤阈值。     

数值模拟探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻

采用有损耗介质和色散介质的二维时域有限差分方法,数值模拟了以光波长514.5nm的p偏振基模高斯光束为入射光源,激发Kretschmann型表面等离子体共振,并通过探针的局域场增强效应实现纳米光刻的新方法——探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻.分别就探针与记录层的间距以及探针针尖大小,模拟分析了不同情况下探针的局域场增强效应和记录层表面的相对电场强度振幅分布.结果表明,探针工作在接触模式时,探针的局域场增强效应最明显,记录层表面的相对电场强度振幅的对比度最大;当探针针尖距记录层5nm时,针尖下方记录层表面的相对电场强度振幅大于光刻临界值的分布宽度与针尖尺寸相近. 关键词： 纳米光刻 表面等离子体共振 时域有限差分方法     

Numerical simulation of the modulation to incident laser by the repaired damage site in a fused silica subsurface

One of the main factors of laser induced damage is the modulation to incident laser which is caused by the defect in the subsurface of the fused silica.In this work,the repaired damage site irradiated by CO 2 laser is simplified to a Gaussian rotation according to the corresponding experimental results.Then,the three-dimensional finite-difference time-domain method is employed to simulate the electric field intensity distribution in the vicinity of this kind of defect in fused silica front subsurface.The simulated results show that the modulation is notable,the E max is about 2.6 times the irradiated electric field intensity in the fused silica with the damage site (the width is 1.5 μm and depth is 2.3 μm) though the damage site is repaired by CO 2 laser.The phenomenon and the theoretical result of the annular laser enhancement existed on the rear surface are first verified effectively,which agrees well with the corresponding experimental results.The relations between the maximal electric field intensity in fused silica with defect depth and width are given respectively.Meanwhile,the corresponding physical mechanism is analysed theoretically in detail.     

The electric field modulation by three-dimensional crack on fused silica subsurface

The main factor of laser-induced damage is the modulation to electromagnetic field of laser by the crack on the subsurface. In this paper, a three-dimensional crack model on the exit surface is presented. Three-dimensional finite-difference time-domain (FDTD) method is employed to simulate the electric field intensity distribution in the vicinity of crack on fused silica subsurface. The roles of the crack width, depth, length and the gradient angle in the modulation to the incident light field are analyzed in detail. Results show that the crack size plays an important role in the electric modulation. With the increasing depth and width, the peak value of maximal electric field intensity appears in fused silica. However, the maximal electric field intensity tends to be a constant when the crack length reaches 1 μm. Besides, the enhancement of light intensity becomes obvious when total internal reflection occurs in fused silica. Our calculated results provide an advisable theoretical criterion to the corresponding experiment.     

横向划痕对光场调制的近场模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的近场调制是导致光学元件低阈值损伤的主要因素之一. 用三维时域有限差分方法研究了连续横向划痕的近场分布, 对比了尖锐截面与光滑截面场调制的差异, 着重探讨了光场调制与划痕宽深比R的关系. 研究表明: 酸蚀后的光滑截面有助于减弱近场调制, 这类划痕的R>10.0时调制较弱且相互接近, R<5.0时调制显著增强. 当R取1---3时, 亚表面的调制达最大值, 最大电场幅值为入射波幅值的4.3倍. 当R取1.0---3.5时, 缺陷附近有80%以上取样点的最大电场幅值超过入射波幅值的2倍. 随着深度的增大, 强场区具有明显的"趋肤效应": 位于划痕正下方的强场区首先往左右两侧移动, 然后移向抛物口界面以及水平界面, 同时衍生出的多条增强线诱导整个亚表面层的光场增强.     

Damage effect and mechanism of the GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor induced by the electromagnetic pulse

The damage effect and mechanism of the electromagnetic pulse(EMP) on the GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor(PHEMT) are investigated in this paper. By using the device simulation software, the distributions and variations of the electric field, the current density and the temperature are analyzed. The simulation results show that there are three physical effects, i.e., the forward-biased effect of the gate Schottky junction, the avalanche breakdown, and the thermal breakdown of the barrier layer, which influence the device current in the damage process. It is found that the damage position of the device changes with the amplitude of the step voltage pulse. The damage appears under the gate near the drain when the amplitude of the pulse is low, and it also occurs under the gate near the source when the amplitude is sufficiently high, which is consistent with the experimental results.