激光波长及脉宽对光学材料抗损伤性能的影响

 基于能带理论,利用激光与光学材料相互作用的理论模型,研究了激光辐照下材料导带自由电子数密度的变化,讨论了材料损伤阈值与激光波长、脉冲宽度、材料禁带宽度之间的关系,数值分析了激光波长和脉冲宽度对损伤阈值的影响。结果表明:当脉宽小于1 ps时,材料损伤阈值随脉宽增大而减小;当脉宽大于1 ps时,材料损伤阈值随脉宽增大而增大;激光波长为10 fs~10 ns,损伤阈值随着波长的减小而减小。     

脉宽对中红外激光带内损伤HgCdTe材料的影响

研究了脉宽对于中红外脉冲激光带内损伤碲镉汞（HgCdTe）材料阈值的影响,使用一维自洽模型对激光辐照HgCdTe材料程中的载流子数密度,载流子对数目流,载流子对能流,载流子温度和材料晶格温度等相关参数进行仿真计算。仿真结果表明,波长2.85 μm,脉宽30 ps～10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值为200～500 mJ/cm2。其中,300 ps～3 ns脉冲激光的损伤阈值相近,均为200 mJ/cm2且低于其他脉宽激光的损伤阈值。搭建实验光路并进行相关实验验证仿真模型的正确性。实验发现,波长2.85 μm、脉宽300 ps的单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值在200 mJ/cm2左右。相同条件下,10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值约474 mJ/cm2。百皮秒脉冲激光对HgCdTe材料的损伤过程结合了热击穿和光学击穿效应,其独特的毁伤机理加剧了材料的损伤。     

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。     

150fs～10ps脉宽下熔石英激光损伤的仿真与分析

基于约化电子数密度增长速率方程,建立了熔石英导带电子数密度随脉冲持续时间变化的模型。利用电子数临界密度这一概念,得到了150fs~10ps脉宽下,熔石英激光损伤阈值范围。分析表明,5~10ps,雪崩电离仍然起主要作用,而光致电离提供的初始电子使雪崩电离不再依赖材料原有的初始电子;当脉宽减小到约为4ps时,光致电离与雪崩电离作用相等;之后,光致电离起主要作用。通过仿真出的损伤阈值拟合,得到了该脉宽区间下新的脉宽定律:熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.38次方;考虑温度对熔石英损伤阈值的影响,熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.34次方。     

激光诱导多层光学薄膜损伤分析与仿真

提出一种全面分析光学薄膜损伤特性的方法,根据热传导理论与电子增殖理论建立激光辐照下多层介质膜的损伤理论模型。以HfO₂/SiO₂多层高反膜为例,计算红外纳秒脉冲激光作用下膜系内部的温度场、应力场以及自由电子数密度分布,对其热学特性与电子增殖特性进行综合评估后,得到不同输入条件下膜系的损伤阈值。结果表明,薄膜材料的损伤特性会受到驻波场的影响,在1064 nm波长的激光辐照下HfO₂/SiO₂ 多层介质薄膜的热致应力损伤效应先于热熔融效应先于场效应发生,且薄膜中SiO₂层发生热损伤,而薄膜并未发生场损伤,此外薄膜的损伤阈值随着激光脉宽的增大而增大。     

单个飞秒激光作用下熔融石英的微爆阈值研究

对飞秒激光脉冲在透明介质中产生微爆的物理机制进行了研究,比较了长短激光脉冲的光击穿机制,基于Fokker-Planck方程建立了飞秒激光微爆模型,给出了飞秒激光脉冲在透明介质中产生微爆的阈值解析表达式.针对飞秒激光脉冲在熔石英介质中的微爆阈值进行了计算,得到的结果与实验结果基本相符.     

光学薄膜激光诱导损伤机理研究

基于电子密度演化模型,借助数值方法,研究了飞秒激光作用下光学薄膜内的电子密度演化过程,讨论了初始电子密度Ni和激光脉冲宽度τ对光学薄膜激光损伤阈值Fth的影响,分析了激光诱导薄膜损伤过程中MPI和AI的性质和作用.研究结果表明,对应于一定的脉宽,存在一个临界初始电子密度,当Ni低于这一临界密度时,Fth不受Ni影响;当Ni高于临界密度时,Fth随Ni增加而降低.临界初始电子密度随着脉宽的减小而增加。对于FS和BBS介质薄膜,Fth随脉宽的增加而升高。初始电子密度Ni对BBS中的MPI和AI基本没有影响;同样Ni对FS中的AI基本不产生影响,但当Ni>1011 cm－3时,FS中MPI电子密度随Ni增加而降低.在所研究的脉宽范围τ∈［0.01,5］ps,AI是FS介质激光诱导损伤的主要机制.而对于BBS,当脉宽τ∈［0.03,5］ps,AI是激光诱导损伤的主要机制;当脉宽τ∈［0.01,0.03］ps,MPI在激光诱导损伤中占主导地位.     

微观缺陷对材料损伤阈值的影响分析

为了研究材料表面高频缺陷对损伤阈值的影响规律,针对典型表面圆锥凸起状表面缺陷建立了三维分析模型,使用有限元算法计算了两种不同波长激光辐照下,表面缺陷周围的电场变化规律。基于激光诱导材料产生损伤的场效应理论,对缺陷存在条件下材料的损伤阈值进行了定量计算。结果表明,缺陷的存在会对电场产生明显的放大效应,这将直接导致损伤阈值的下降;损伤阈值与缺陷高度成反比关系,与入射波长成正比关系;缺陷导致的损伤阈值下降幅度会随脉宽增加先减小后增大,当入射波长分别为351nm和1064nm时,缺陷导致的损伤阈值下降幅度分别在脉宽为1.80ps和15.80ps处最小。     

短脉冲激光辐照下SiO2损伤微观机理简化模型

 从电子密度速率方程出发，建立短脉冲激光辐照下SiO₂材料中导带电子增长简化模型，计算了SiO₂中光致电离速率和电子雪崩速率，得到SiO₂激光损伤阈值与脉冲宽度的关系，计算分析了光致电离和碰撞电离两种电离机制在导带电子累积过程中的不同作用。结果表明：脉冲较长，碰撞电离几乎能提供全部的导带电子，激光损伤阈值与脉宽的0.5次方成正比；脉冲较短时，导带电子主要由碰撞电离产生，光致电离提供碰撞电离的初始电子，激光损伤阈值随着脉宽的减小，先增加后减小。     

激光导致水击穿和等离子体形成过程的物理分析

对短脉冲激光作用水介质中引起光学击穿的机制进行了分析,通过自由电子密度速率方程的数值解确定激光的击穿阈值.将数值计算结果与波长在可见光和近红外波段,脉宽为ns、ps和fs的激光脉冲在纯净水和含有杂质的水中的实验测量的击穿阈值作了比较.还计算了等离子体中自由电子密度的演化、等离子体吸收系数和能量密度.通过解自由电子密度速率方程得到结果与实验测量的值符合得很好.     

Ultra-short laser ablation of dielectrics: Theoretical analysis of threshold damage fluence and ablation depth

A coupled theoretical model based on Fokker–Planck equation for ultra-short laser ablation of dielectrics is proposed. Multiphoton ionization and avalanche ionization are considered as the sources during the generation of free electrons. The impact of the electron distribution in thermodynamic nonequilibrium on relaxation time is taken into account. The calculation formula of ablation depth is deduced based on the law of energy conservation. Numerical calculations are performed for the femtosecond laser ablation of fused silica at 526 and 1053 nm. It shows that the threshold damage fluences and ablation depths resulted from the coupled model are in good agreement with the experimental results; while the damage thresholds resulted from the approximate model significantly differ from the experimental results for lasers of long pulse width. It is concluded that the coupled model can better describe the micro-process of ultra-short laser ablation of dielectrics.     

皮秒和纳秒单脉冲激光加热Al/NC复合纳米含能材料的热动力学分析

对纳米金属颗粒复合含能材料这一新兴体系的单脉冲激光作用的热动力学过程进行了理论分析. 推导了分散在介质中的纳米金属颗粒吸收脉冲激光能量的瞬时功率密度. 从热分解机理出发对纳米金属铝复合硝化纤维(Al/NC)薄膜吸收脉冲激光能量过程以及伴随着放热化学反应的热点热量传播过程进行了数值模拟,计算了不同质量分数的Al/NC薄膜样品分别在100ps,10ns,25ns脉冲激光作用下的化学反应直径. 计算结果与实验数据相比较,表明了热分解基本符合10ns,25ns脉冲激光引发含能材料反应的机理,但它并不符合100ps 关键词： 热分解 化学反应 脉冲激光 含能材料     

超短脉冲激光烧蚀绝缘体材料机理的耦合理论模型

基于电子能带理论,以动力论的Fokker_Planck方程为基础,从微观层次对超短脉冲激光烧蚀绝缘体材料的机理进行分析研究.源项中分别考虑了雪崩电离、多光子电离机制,并考虑了电子能量与散射机制对电子弛豫时间的影响.建立了绝缘体烧蚀机理的耦合数学模型,其计算的激光烧蚀临界能量密度阀值与实验结果很好的吻合.定量描述了超短脉冲激光对绝缘体材料烧蚀微观过程的影响.     

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。     

超短激光脉冲对宽带光学物质的微加工

通过讨论超快飞秒激光脉冲和长脉冲宽度的激光脉冲紧导致宽能隙透明电介质的损伤机理和比较超短激光脉冲与长激光脉冲对宽能隙透明电介质的损伤程度，得出超短激光脉冲是一种可对透明宽带电介质进行加工的有效工具的结论。当波长为800nm，脉冲宽度为150fs的激光脉冲紧聚焦到不同的宽能隙透明电介质（K9玻璃和ZK6玻璃）体内时，可制作不同光栅常数的光栅，并在波长为635nm的He-Ne连续激光的垂直照射下，对光栅的远场相对衍射效率和光栅的衍射效率进行了测量。     

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.