短脉冲激光辐照下金属镜面波纹损伤机理研究

用脉冲Nd：YAG激光(波长1．06μm、半高宽10ns)辐照了多种金属膜层镜面，用光学与原子力显微镜观察到某些样品损伤区或周围有规律的波纹图案，波纹周期从几微米到几十微米。通过分析实验结果，这里提出了波纹产生的光学模型，认为光路系统中某些元件的衍射或者强光与元件表面相互作用过程中产生的干涉可能会导致元件表面波纹状损伤图案。通过理论计算，初步解释了实验中波纹的周期和其他现象。     

激光辐照下薄膜镜面波纹损伤机理研究

 用透镜将脉冲激光束聚焦在铝膜镜面上，在部分样品的激光损伤边缘区，出现波纹状损伤形貌。大多数情况下，有多套波纹同时存在，在镜面形成花纹，或者其中有一两套波纹占优势。提出了脉冲激光辐照下光学元件损伤区边缘产生波纹的一种光干涉模型：认为样品表面本身存在微米级杂质颗粒或者表面缺陷点在激光辐照下首先产生鼓包变形，鼓包或杂质颗粒将激光反射（散射）在未发生变形的区域，与直接辐照在该区域的激光束产生干涉，使得变形区周围的光强呈周期性分布，当变形区进一步损伤后，则在损伤区周围留下了波纹状图案。模拟实验验证了这种设想。     

高功率脉冲电子束辐照SiO_2的光学和激光损伤性能

研究了不同剂量的60 kW高功率脉冲电子束辐照对高纯熔石英玻璃的微观结构、光学性能和激光损伤特性的影响规律.光学显微图像表明,辐照后熔石英样品由于热效应导致表面破裂,裂纹密度和尺寸随辐照剂量增加而增大,采用原子力显微镜分析表面裂纹的微观形貌,裂纹宽度约1μm,同时样品表面分布着大量尺寸约0.1—1μm的碎片颗粒.吸收光谱测试表明,所有样品均在394 nm处出现微弱的吸收峰,吸收强度随着电子束辐照剂量增大呈现先增加后减小的趋势.荧光光谱测试发现辐照前后样品均有3个荧光带,分别位于460,494和520 nm,荧光强度随辐照剂量的变化趋势与吸收光谱一致.利用355 nm激光研究了不同剂量电子束辐照对熔石英激光损伤阈值的影响,结果表明熔石英的损伤阈值随着辐照剂量的增加而降低.在剂量较低时,导致熔石英激光损伤阈值下降的原因主要是色心缺陷;剂量较高时,导致损伤阈值降低的原因主要是样品表面产生的大量微裂纹和碎片颗粒对激光的调制和吸收.     

Q开关Nd:YAG脉冲激光对红外滤光片的损伤效应

 介绍了由滤光片膜层结构决定的激光在光学薄膜中形成温度场及驻波场特性。用1.06μm调Q Nd:YAG激光器，在激光脉冲宽度10ns和光斑直径0.61μm的条件下，进行了激光辐照红外滤光片的损伤特性实验研究。根据脉冲激光辐照红外滤光片后样品损伤分析，发现滤光片的最初损伤发生在里面的膜层中，从而在实验上验证了计算得到的滤光片膜层中存在其温度场及驻波场的结果。它对提高红外滤光片的抗激光辐照能力研究具有一定的参考价值。     

高功率脉冲电子束辐照SiO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;的光学和激光损伤性能

研究了不同剂量的60 kW高功率脉冲电子束辐照对高纯熔石英玻璃的微观结构、光学性能和激光损伤特性的影响规律. 光学显微图像表明, 辐照后熔石英样品由于热效应导致表面破裂, 裂纹密度和尺寸随辐照剂量增加而增大, 采用原子力显微镜分析表面裂纹的微观形貌, 裂纹宽度约1 um, 同时样品表面分布着大量尺寸约0.1–1μm的碎片颗粒. 吸收光谱测试表明, 所有样品均在394 nm处出现微弱的吸收峰, 吸收强度随着电子束辐照剂量增大呈现先增加后减小的趋势. 荧光光谱测试发现辐照前后样品均有3个荧光带, 分别位于460, 494和520 nm, 荧光强度随辐照剂量的变化趋势与吸收光谱一致. 利用355 nm激光研究了不同剂量电子束辐照对熔石英激光损伤阈值的影响, 结果表明熔石英的损伤阈值随着辐照剂量的增加而降低. 在剂量较低时, 导致熔石英激光损伤阈值下降的原因主要是色心缺陷; 剂量较高时, 导致损伤阈值降低的原因主要是样品表面产生的大量微裂纹和碎片颗粒对激光的调制和吸收. 关键词： 熔石英 电子束辐照 色心 激光损伤阈值     

基于光场调制的纳秒激光图案化石墨烯研究

激光加工技术在石墨烯制备领域得到了许多应用。目前激光图案化石墨烯的方法多为激光逐点扫描, 而单次辐照实现图案化加工的方法鲜有报道。通过间光调制器改变激光的光场, 使光束聚焦成图案, 单次辐照直接在石墨烯样品上烧蚀实现图案化。控制激光能量为合适的值时可将石墨烯清晰地图案化而不损伤硅基底。通过拉曼光谱扫描成像发现石墨烯加工边缘清晰, 精度达到μm量级, 具有加工速度快、无需移动样品等特点。     

飞秒激光诱导图案独立显示研究

介绍了采用中心波长为800nm的飞秒激光在不锈钢(316L)表面诱导产生独立显示图案的研究。结果表明,当扫描速率为15mm/s,扫描行距为20μm,能量密度为1.1J/cm2时,飞秒激光能够在不锈钢表面形成均匀的周期为540nm的亚波长条纹结构。利用条纹结构的方向与激光光波偏振方向严格垂直的特性,通过改变激光偏振,可以在金属表面形成不同方向的条纹图案。在照明白光的辐照下,改变样品的方位角,形成的图案能够以彩色方式显示出来。此外,对使图案彩色显示的坐标区域与图案色彩能够覆盖的可见光谱范围进行了研究,并对其可能的应用进行分析。     

激光损伤阈值单脉冲激光测量方法

利用二元相位光栅的特点，设计一个具有特定相位分布的相位光栅，在单色波的照明下，使某些特定位置的菲涅耳像变成一个振幅光栅即光斑阵列。如果该光斑阵列的光强按照一定关系分布，将阵列光斑作用于实验样品上，能确定出各个光斑对应的损伤，就能从一次激光脉冲辐照中得出样品损伤阈值。激光光束为高斯光束，入射高斯光束通过二元相位光栅分解成类高斯分布的点阵并对样品进行辐照，研究衍射点阵中各点的一阶峰值能量密度分布和样品的损伤情况，可以单脉冲激光确定光学薄膜的损伤阈值。     

脉冲激光辐照硅材料引起表面波纹的特性研究

叙述了激光与材料相互作用过程中引起相干受激光散射的机制,以及形成材料表面波纹的特性。在激光波长1．06μm、能量15mJ、光斑直径2mm、脉冲半峰全宽约10ns和入射方向为布儒斯特角的条件下,进行了脉冲激光辐照硅材料形成表面波纹的实验研究。在脉冲激光辐照硅材料表面功率密度略大于材料损伤阈值的条件下,发现了硅材料表面形成的平行等间距直线条纹结构。用光学显微镜和原子力显微镜分别测量了被辐照硅材料表面的波纹形貌特征。在假设硅材料表面波纹的产生与声波在材料中的传播速度有关的条件下,由声波传播速度和激光辐照硅材料的脉冲宽度较好地解释了材料表面形成条纹的宽度．并认为在形成表面波纹的过程中,热应力起主要作用。     

激光对运动圆柱体加热的几何学研究

 当激光无论从地面或是从空中辐照运动的圆柱体时，都涉及到入射激光相对于圆柱体的辐照方式。在一定假设下，导出了激光对抛射圆柱体表面加热时圆柱表面热加载功率密度分布公式，并结合一理想情况，针对光束入射角度因子、光斑中心的偏移、光斑形状的变化进行了解析计算分析。分析表明，即使圆柱体本身不做自转，圆柱体表面的光强分布中心也会发生偏移，分布也会发生变化，尤其沿圆柱体轴向的分布变化较大，必须结合实际加以细化研究。     

The morphology of pulsed laser-induced damage on the surface of a copper film mirror

A copper film mirror was irradiated using a pulsed Nd:YAG laser (1.06 μm,10 ns) through an aperture. After laser irradiation, the damaged spot was analyzed using an optical microscope and periodic damage rings were found at the laser irradiation spot, the average spacing of these rings being about 40–50 μm. The damage ring could be observed in the periphery of the laser spot under lower laser energy densities. As the laser fluence increased, the periodic damage rings grew to cover the whole laser spot. Under higher laser energy density, the whole film was damaged and the rings disappeared. A Fresnel diffraction model is used to explain the appearance of these rings. The laser beam is diffracted by the aperture in the optic path, the laser intensity distribution at the copper film mirror becomes periodic rings and damage ripple pattern forms instantly with the laser ablation. The laser intensity distribution at the mirror surface is calculated using Collins formula, with which the period of the damage rings and other phenomena can be explained.     

角隅全反镜谐振腔激光器的输出特性

 在高功率脉冲气体激光器中，用角隅反射镜作为全反镜，平行平面镜作为输出镜构成角隅全反镜谐振腔。对角隅腔激光器的输出特性和抗失调稳定性进行了研究，并与平凹腔和平平腔激光器进行了比较。实验结果表明：在角隅全反镜失调角为16 mrad时，角隅腔激光器的单脉冲输出能量下降9.2%，且近场输出光斑没有明显变化；而凹面全反镜失调角仅为0.4 mrad时，平凹腔激光器输出能量下降了9%，近场输出光斑严重变形。在输出镜正前方3.12 m处测量，当角隅镜偏转16.3 mrad时，激光器输出光斑与标准状态时的输出光斑重合；凹面全反镜失调角为0.4 mrad时，激光器输出光斑位移14 mm。经模式仪分析表明，角隅腔激光器近场光强分布均匀。     

TEA-CO2激光辐照HgCdTe图像传感器的实验研究

利用TEA-CO₂激光对碲铬汞(HgCdTe)图像传感器的干扰和损伤现象进行了实验研究,分析了干扰和损伤机理。探测器上激光能量密度小于255 mJ/cm2时,饱和像素仅出现在光斑区域,激光能量密度为425.8 mJ/cm2时,像素被损伤,观察到了弥散斑和暗环等现象。建立了探测器的激光辐照模型,计算了探测器的温升,讨论了温升与载流子浓度、迁移率的关系。分析认为,弥散斑的出现是探测器升温产生的热激发载流子浓度扩散所致,暗环的出现是迁移率与载流子浓度扩散共同作用的结果,像素的损伤则是因为温升导致汞的析出。     

Investigation of nanoparticle generation during femtosecond laser ablation of metals

The production of nanoparticles via femtosecond laser ablation of gold and copper is investigated experimentally involving measurements of the ablated mass, plasma diagnostics, and analysis of the nanoparticle size distribution. The targets were irradiated under vacuum with a spot of uniform energy distribution. Only a few laser pulses were applied to each irradiation site to make sure that the plume expansion dynamics were not altered by the depth of the laser-produced crater. Under these conditions, the size distribution of nanoparticles does not exhibit a maximum and the particle abundance monotonously decreases with size. Furthermore, the results indicate that two populations of nanoparticles exist within the plume: small clusters that are more abundant in the fast frontal plume component and larger particles that are located mostly at the back. It is shown that the ablation efficiency is strongly related to the presence of nanoparticles in the plume.     

Varied laser induced damage phenomena of gold coated gratings for pulse compression

In this paper, gold-coated gratings for pulse compression have been prepared and their laser damage experiments have been performed. Varied laser damage morphologies have been observed: when a 60 fs-pulsed laser with energy density slightly higher than the damage threshold was used, damage morphology with a characteristic of discrete distribution of small pits was appeared. These damage pits are linearly distributed at the junction of ridges and grooves. If the laser energy density is much higher than the damage threshold, the gold films was overall ablated and the grating structure disappeared. Besides, if the gold film has poor adhesion, it was peeled off. When a 450 ps-pulsed laser with energy density slightly higher than the damage threshold was used, part of grating ridges will be ablated and an obvious line exists between the ablated area and the unchanged area. In theory, the laser induced temperature field and stress field in gold-coated gratings were calculated based on the electromagnetic field using the finite element method. It is demonstrated that the temperature and thermal stress distribution characteristics are affected by the laser heating rate and the heat diffusion time (the calculated diffusion time ranges from 6 fs to 450 ps), which determines the laser damage characteristics. The possible damage drivers have electron hydrodynamic pressure, thermal ablation and thermal stress.     

金属杂质粒子诱导薄膜的损伤机理研究

薄膜内的杂质粒子极易诱导薄膜损伤,研究了金属粒子诱导HfO₂薄膜损伤的特征,并基于金属粒子的热力学过程进行了分析。金属粒子对激光的强烈吸收将引起薄膜的熔化、气化以及电离,从而引起薄膜的剥离和脱落,形成圆状坑点;金属粒子对激光的吸收、热扩散以及热膨胀效应与其尺寸等密切相关;从温升规律分析,在相同激光能量辐照下,粒子大小引起的温升不同,从而形成大小不一的点坑状破坏点,且存在一个温升效应最强的粒径,最易引起薄膜的损伤;从金属粒子激光等离子体的辐射效应分析,金属粒子的辐射谱主要集中在紫外部分,辐射光子能量比入射激光光子能量强,具有更强的电离能力,从而加剧了薄膜的去除。     

Absorption and luminescence spectroscopy of fused silica by multiple pulses irradiation at 355 nm

In this work, the effects of laser irradiation on fused silica at 355 nm are investigated by using transient absorption spectroscopy and luminescence spectroscopy. Our result shows that no transient absorption or luminescence in the spectra range from 400 nm to 600 nm is observed when laser energy density is below the damage threshold. When the laser energy density reaches the threshold, an initial damage site will be created. After subsequent laser pulses irradiation, the damage size grows. At the same time, the intensity of the transient absorption and luminescence spectra at the damage site also raises remarkably with the laser pulse number increasing. The absorption band from 420 nm to 520 nm is probably related to the absorption of impurity such as metal ion of iron, cerium and copper. Laser modified fused silica exhibits intense broad luminescence bands due to oxygen-deficiency centers at 444 nm and 580 nm.     

透射衍射光栅内全反射级次

当前高功率激光装置系统中, 国内使用透射式衍射光栅进行光束采样, 国外甚至使用光栅聚焦并同时结合谐波分离和采样功能. 高功率激光辐照下, 除了0级透射打靶光以及目标取样光外, 其他级次衍射光的影响也不可忽视, 可能造成诸如鬼像聚焦破坏、时间脉宽测量不稳定、近远场测量噪声等问题. 尤其是透射衍射光栅内部全反射级次会导致光栅出射一系列规律的衍射花样, 造成上述干扰和危害. 首先理论上针对透射式光栅(包括取样光栅和聚焦光栅)进行了相应的计算和分析, 然后从实验上观察并测量了取样光栅内部全反射级次的现象, 并且结合镀减反膜前后的衍射现象进行了讨论, 最后分析并给出了如何消除或规避全反射级次和其他冗余级次影响的方法.     

用1064nm激光增强HfO2/SiO2薄膜的抗激光损伤能力的实验研究

 用1 064nm激光实验研究了HfO₂/SiO₂薄膜的激光损伤增强效应，实验以薄膜激光损伤阈值70%的激光能量开始，采用N-ON-1方式处理薄膜，激光脉冲的能量增量为5J/cm²。实验结果表明，激光处理薄膜表面能使激光损伤阈值平均提高到3倍左右，并且薄膜的损伤尺度也明显减小。对有缺陷的薄膜，其缺陷经低能量激光后熔和消除，其抗激光损伤能力得到增强，但增强得并不显著，而薄膜本身的激光预处理，可以使其激光损伤阈值大大提高。