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。     

飞秒激光诱导锗等离子体辐射光谱特性

由于飞秒激光脉冲宽度小于靶材电子—晶格热弛豫时间,飞秒激光烧蚀靶材过程以及诱导击穿产生的等离子体膨胀动力学过程与纳秒激光作用过程不同,因此研究飞秒激光诱导等离子体发射光谱特性对于研究飞秒激光烧蚀机制以及飞秒激光诱导等离子体的膨胀动力学过程非常重要。Ge材料是一种常用的中远红外探测器以及光学元器件材料,对中心波长为800 nm,脉宽为50 fs的激光脉冲烧蚀空气中Ge靶材产生的等离子体发射光谱强度的时间和空间演化规律研究,并探讨了飞秒激光脉冲能量对等离子体发射光谱强度的影响规律。实验结果表明在等离子体羽膨胀初期,飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱主要由线状光谱和连续光谱构成,在200 ns时间内连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位。通过探测Ge等离子体的时间分辨发射光谱,随着等离子体的快速膨胀,等离子体发射光谱强度随着时间的增加呈现先增加后下降变化,在335 ns达到最大。通过探测Ge等离子体的空间分辨发射光谱,随着距离Ge靶材表面的位置增加,等离子体发射光谱强度随远离Ge靶材表面距离增加呈现先增加后下降变化,在0.8 mm位置达到最大。由于存在等离子体自吸收机制,等离子体发射光谱...     

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。     

用单发电子束探测激光等离子体内电磁场演化实验研究

惯性约束核聚变研究最近取得可喜成果,美国国家点火装置NIF装置实验上聚变增益达到了输入激光能量的三分之二.但是,这一成果与人们的预期还有较大差距,需要更深入研究激光与等离子体相互作用初期的动力学过程.我们发展了一种新方法,用单发长脉冲电子束团为探针,测量激光等离子体内电磁场在整个等离子体持续时间内的演化过程.实验中,高压静电电子源产生能量0—100 keV连续可调、脉宽10ns的电子束团.1 J,532 nm,脉宽约4 ns的激光脉冲聚焦到银靶上,激发产生等离子体.电子束团穿过激光等离子体,被其中的电磁场调制后成像,单发电子束团时间宽度会覆盖整个等离子体持续时间,通过分析电子束团的调制强度,推得等离子体内电磁场的变化.实验上成功实现了单发电子束团对整个激光等离子体内电场的诊断测量,获得了演化曲线,推算出实验条件下电子束通过路径上平均电场的最大值约为7.74×10~5 V/m.     

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.     

基于等离子体紫外辐射的强激光自动寻焦系统

精准定位激光束焦点位置是提高激光雕刻、切割、焊接等加工精度的重要基础，而传统测量方法不适用于自动寻找强激光焦点。基于激光烧蚀金属后等离子发光含大量紫外谱线的原理，以日盲的氮化镓肖特基光电二极管为传感器，设计了以304不锈钢靶材为耗材的红外强激光束自动寻焦方法及其装置。该方法与共聚焦显微镜检测平均烧蚀坑深的方法相比，当以脉冲宽度100 ns、重复工作频率20 kHz、平均功率10 W的1064 nm光纤激光雕刻机为实验对象时，二者定焦位置相差24 μm。     

电子等离子体波对超短脉冲激光传播过程的作用

提出等离子体波对光脉冲产生相位调制的观点,把光脉冲在背景等离子体波中传播时的频率移动与脉宽压缩效应统一起来。给出了脉宽演化的方程,它类似于在势阱中运动的经典粒子的能量守恒方程;估算了脉宽压缩对应的等离子体波振幅阈值。数值计算进一步证实这些结论。最后指出实验上用等离子体波压缩短脉冲激光脉宽的可能性。 关键词：     

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。     

KrF激光脉冲整形研究

 实验研究了脉冲堆积法对KrF激光的整形能力。利用受激布里渊散射(SBS)压缩脉冲获得了脉宽为3~5 ns的短脉冲，用4束激光堆积获得了脉宽为10~15 ns、平顶宽度为5~10 ns的整形脉冲。利用实测SBS脉冲数据，对脉冲堆积法进行了数值模拟，模拟的脉冲宽度为12.7 ns，平顶宽度为7.7 ns，该结果与实验相符。对脉冲堆积法的任意整形能力进行了模拟，讨论了脉冲宽度变化对整形的影响，发现脉宽变化在5%以内时，对整形脉冲的影响较小。对整形脉冲的放大进行了定性研究，结果表明：平顶脉冲通过放大器后，前沿部分放大较多，由于饱和作用，后沿放大较少；如果前端整形脉冲前沿为斜坡状，放大后可以得到近平顶的脉冲。     

脉冲CO2激光烧蚀锡靶等离子体的数值研究

使用一维辐射流体力学程序MULTI模拟了脉冲CO2激光烧蚀平面锡靶的过程,研究了脉冲宽度、峰值功率密度、靶材初始密度对锡等离子体电子密度、电子温度的时空分布的影响,并结合统计分析得到最有利于产生13.5 nm 极紫外光的激光脉冲宽度。模拟结果表明,脉冲宽度为100~200 ns的长脉冲激光产生的等离子体有利于实现极紫外输出的最佳条件,通过分析等离子体的电子密度、电子温度的分布对这一结论进行了解释。临界电子密度区域有效吸收了脉冲能量,而低密度的羽辉对激光与极紫外辐射的吸收很少。采用长脉冲激光,使得辐射极紫外等离子体持续时间更长,是提高极紫外辐射效率的有效手段。同时模拟还发现,靶材初始密度对等离子体参数的影响不大。     

准分子激光等离子体开关控制脉宽研究

 利用准分子激光等离子体技术，在紫外预电离XeCl准分子激光器上获得了最短1.58 ns的短脉冲激光输出。实验中分析了聚焦到薄膜表面的光束能量密度对所产生的等离子体密度的影响，并对不同等离子体密度及维持时间情况下脉冲压缩效果进行了讨论，给出了激光器谐振腔在稳定腔及非稳腔两种工作方式下的实验结果。激光器在稳定腔工作时，脉宽可压缩至2.87 ns；采用非稳腔结构时，在脉冲能量不变情况下减小聚焦光斑面积，提高入射到薄膜表面的能量密度，得到了最短1.58 ns的短脉冲激光输出。该技术适用于任何其它准分子器件。     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号,基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大.且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化:脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回渡信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

200 Hz高重复频率SBS脉宽压缩实验研究

受激布里渊散射(SBS)脉宽压缩是实现高峰值功率、短脉冲激光输出的重要途径之一,然而,目前SBS脉宽压缩仅限于1~10 Hz低重复频率激光器,限制了高重频短脉冲激光器在激光雷达、空间碎片探测以及目标成像等领域的应用。基于此,开展了高重复频率下的SBS脉宽压缩实验研究。设计搭建了高重复频率的主振荡放大激光器,开展了SBS二次级联脉宽压缩和SBS振荡放大双池脉宽压缩实验。通过SBS二次级联压缩实现了脉冲宽度从~32 ns压缩到~1.9 ns,脉宽压缩比达16倍;而通过SBS振荡放大双池结构实现了脉冲宽度从~4 ns压缩到376 ps,脉宽压缩比达10倍。实验结果表明,采用该超净封闭型SBS相位共轭镜,在Stokes光输出能量达50 m J时,无光学击穿现象,实现了在200 Hz高重复频率下的SBS脉宽压缩。     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号.基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大,且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化;脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回波信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

黑体辐射法测量电介质内部被超短激光脉冲加工后的温度

黑体辐射法可用于测量电介质内部被超短脉冲激光加工后,电子和晶格的瞬时温度.当一个超短激光脉冲通过物镜聚焦到石英玻璃内部时,在焦点附近诱导出微结构.微结构中热影响区的最大宽度为16μm,热影响区发出的黑体辐射谱通过物镜、带耦合透镜的光纤、光谱仪以及ICCD组装成的系统记录.测试系统收集了电介质内部被单个激光脉冲辐照后,热影响区发射的黑体辐射谱,然后用Planck公式拟合黑体辐射谱,得到电介质温度.电介质被超短激光脉冲辐照后,首先电介质中的价带电子通过强场电离和雪崩电离跃迁到导带,高温高压的等离子体以冲击波的形式向外运动,通过对流方式传递能量,该过程发生在激光辐照石英后21 ns内.21 ns后冲击波转化为声波,中心的气态石英通过热扩散方式影响周围的固态区域,石英温度缓慢下降.在时刻t(单位ns),石英玻璃的温度为5333 exp(-t/1289)K.石英经过3.72μs将冷却到室温,因此重复频率在269 k Hz以上的激光,加工石英玻璃时具有热累积效应.     

短脉冲激光刻蚀加工铜材料的机制

 利用数值模拟方法，研究波长1 064 nm、脉冲宽度介于1~20 ps的激光在刻蚀铜靶时，单次脉冲作用下非平衡场刻蚀和热平衡刻蚀两种机制的竞争过程。结果表明：随着脉冲宽度的增加，刻蚀过程由非平衡电荷分离场刻蚀占主导地位转变为热平衡刻蚀起主要作用，且脉冲宽度和激光峰值功率密度增大到一定程度后，各种电子加速机制在不同时刻开始突显，电子能量分布出现多峰结构。在能量密度为15 J/cm2的激光作用下，1和5 ps脉宽对应的非平衡场刻蚀深度分别为110和101 nm，10和20 ps脉宽分别为25和18 nm。     

用于薄膜沉积的XeCl激基激光器研制

以镀制半导体薄膜、巨磁薄膜、金刚石及其它薄膜,外延生长及后续的光刻,激光与物质的相互作用、等离子体研究为目的,设计、研制了脉冲放电激励的XeCl激基激光器.试验结果表明:激光脉宽18ns,单脉冲能量150mJ,矩形光斑大小2cm×1cm,束散角3mrad,最高重复频率5HZ.与同类激光器相比,具有结构简单、造价低廉、性能稳定等特点.     

激光烧蚀金属靶诱导靶电势效应的机理研究

利用Nd∶YAG脉冲激光烧蚀Cu靶材,实验研究了不同激光能量下等离子体诱导靶上电势的演变规律.结果表明：靶上电势信号呈现显著的双峰结构,第一个峰出现在激光烧蚀开始之后约20 ns,持续时间仅约50 ns；而第二个峰出现约35 μs之后,持续时间达到了上百微秒.通过对实验结果的详细分析可知靶上电势信号的产生是激光等离子体荷电效应引起的,并提出了等离子体对金属靶的静电感应、电荷复合-转移效应机制,解释了靶上电势信号的演变规律.     

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。     

飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的蚀除机理

结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光脉冲辐照B2结构镍钛合金时烧蚀阈值附近的靶材蚀除机制,数值模拟了中心波长为800nm,脉宽为100fs,能量密度为25~50mJ/cm2的激光与90nm厚B2结构镍钛合金薄膜相互作用过程。确定了脉宽为100fs的脉冲激光与镍钛形状记忆合金相互作用的烧蚀阈值,发现烧蚀阈值条件下,靶材的蚀除机制是单纯基于应力作用的机械破碎;烧蚀阈值附近,未蚀除靶材受热影响发生无序化相变的区域较小,且随激光能量密度的降低而减小。提高激光功率密度,烧蚀同时呈现热机械蚀除和机械破碎机制。