1064 nm激光对中性密度滤光片的损伤机理研究

中性密度滤光片的典型结构是在K9玻璃上镀金属膜,来实现对激光的有效吸收.由于损伤阈值较低,严重限制了其在高能激光系统中的应用.实验研究了较高激光能量密度下滤光片的损伤形貌和损伤机理.损伤形貌的变化特征是:随着激光能量密度的增加,滤光片先出现损伤点,后以损伤点为中心产生裂纹,且裂纹长度逐渐变长,最终连接成线状和块状,导致大面积的薄膜脱落.建立了缺陷吸收激光能量升温致中性密度滤光片表面薄膜损伤的模型,计算了薄膜表面的温度和应力分布,讨论了薄膜表面不均匀温升造成的径向、环向和轴向热应力分布.理论分析显示:环向应力是造成薄膜沿径向产生裂纹的主要原因.当激光能量密度大于约2.2 J/cm²,杂质粒子半径大于140 nm且相邻杂质粒子之间的距离小于10 μ m时,裂纹才能大量连接起来引起薄膜的大面积脱落.     

激光脉冲诱导损伤点对激光传输的影响

高能重复激光脉冲对光学元件损伤点的产生和扩展与损伤点对后续激光脉冲光强的调制作用密切相关。观察激光诱导K9玻璃的损伤点,发现损伤点是从里到外呈现辐射状分布,内部损伤程度最大,可致充分断裂;向外损伤程度减小,呈现辐射的应力相变,引起折射率变化;对损伤点的透射光谱检测发现其透过率下降大于20%,但是下降的幅度与波长无关,说明充分断裂的材料会对激光进行充分吸收,类似黑体吸收,其对入射光的吸收只与损伤点的面积有关。CCD对激光通过损伤点后的光强分布探测发现： 在激光能量传输过程中,损伤点会导致光强分布的不均匀,存在明显的散射效应,这会引起激光光强分布的不均匀性,导致损伤区域的进一步扩散。     

KTP晶体的激光烧蚀特性及Raman光谱研究

高阈值的KTP晶体的研发,对高能激光领域至关重要。采用高重复频率的紫外激光对KTP进行烧蚀,并对烧蚀前后的Raman光谱进行分析,研究发现：激光等离子体效应是造成晶体破坏的主要原因,其逆韧致吸收效应会大大增加激光脉冲能量的沉积,电离效应使得晶体发生充分的离解,高压冲击波效应则把熔化、气化以及电离混合物外排的同时,使得材料发生断裂。烧蚀前后的Raman光谱的特征峰分布基本相同,说明烧蚀作用没有改变KTP材料的整体结构。但是,特征峰的对比值(RIR)都发生了改变,且有所展宽,说明烧蚀后结晶度降低。其中TiO₆和PO₄等主要氧多面体的特征峰向低波数漂移,说明材料的键合力消弱,更易发生离解。     

高重复频率激光脉冲光束大小对吸收玻璃损伤特征的影响

针对高重复频率对吸收性滤光片损伤问题,研究了高重复频率(kHz量级)激光脉冲的光束半径大小对吸收玻璃的形貌特征和损伤机理.研究发现在总的激光作用个数、单脉冲能量和脉冲作用频率固定时,吸收玻璃的损伤特性发生很大变化:在光束半径较大时,激光能量分散,主要损伤形貌是熔化破坏;随着光束半径的减小,激光脉冲能量变得集中,热量的累积效果变得明显,逐渐变成熔化破坏和气化破坏;当激光光束半径小到一定程度,则会由于光强过大使得介质表面发生击穿而产生激光等离子体冲击波,同时由于热量沉积的集中使光束作用中心处产生超热液体,当满足相爆炸发生的条件时,气化物、液滴和固体颗粒的混合物会向外飞溅,在损伤凹陷的周围形成气化物、液滴的冷凝区和固体颗粒溅射区. 关键词： 激光诱导损伤 高重复激光脉冲 吸收玻璃 相爆炸     

脉冲式2 μm KTiOAsO4光参变振荡器

为了验证KTiOAsO4(KTA)晶体用于光参变振荡产生2μm激光的可行性,设计了脉冲式2μm KTA光参变振荡器,采用θ=49°切割的KTA晶体作为光参变振荡晶体,实现了2μm激光的输出;计算了该系统在双谐振情况下的起振阈值,在实验中测得输出的信号光、闲频光波长在2.16μm和2.09μm附近,与理论计算基本吻合,并测量了脉冲宽度。同时选用了对信闲光透过率分别为60%、70%、90%的镜片作为光参变振荡器(OPO)输出镜,测得了三种情况下的输出能量及电光效率的数值;测得了在380 V电压下,输出镜透过率一定时输出能量与光参变振荡器腔长之间的关系曲线,从而验证了KTA晶体用于光参变振荡产生2μm激光的可行性,为下一步的研究工作打下了基础。     

纳秒紫外重复脉冲激光烧蚀单晶硅的热力学过程研究

采用波长为355 nm的纳秒紫外重复脉冲激光对单晶硅片进行了盲孔加工实验, 观测了随脉冲增加激光烧蚀硅片的外观形貌和盲孔孔深、孔径的变化规律, 并对紫外激光辐照硅片的热力学过程进行了分析. 研究结果表明:紫外激光加工硅盲孔是基于热、力效应共同作用的结果, 热效应会使得硅材料熔化、气化甚至发生电离产生激光等离子体,为材料的去除提供条件;激光等离子体冲击波以及高温气态物向外膨胀会对熔化材料产生压力致使其向外喷射,为重复脉冲的进一步烧蚀提供了条件;力效应主要沿着激光传输的方向,垂直于硅表面,使得去除部位主要集中在孔的深度方向,达到较高的孔径比,实验观察孔径比可达8:1;此外,激光等离子体的产生也阻止了激光对靶面的作用,加之随孔深的增加激光发生散焦,使得烧蚀深度有一定的限制,实验观察烧蚀脉冲个数在前100个时加工效率较高.     

中红外2μm KTA光参量振荡器的输入镜膜层损伤分析

对基于KTA(KTiOAsO4,砷酸钛氧钾)晶体的中红外2μm光参量振荡器的输入镜膜层损伤现象进行了初步分析及对比实验研究,表明薄膜缺陷导致的热效应是造成输入镜膜层损伤、抗损伤阈值低的主要原因,同时发现由于腔镜失调等原因造成的腔内残余1.06μm激光是造成膜层损伤的主要来源,这些结果对改进光参量振荡器系统设计、进一步提高2μm激光输出能量具有一定的指导作用。     

基于XRD光谱法的光参量振荡铌酸锂晶体SiO_2薄膜损伤研究

针对参量振荡过程中铌酸锂表面的增透薄膜的损伤问题,采用了XRD光谱法和形貌观测法对激光诱导薄膜损伤的形貌及其物理过程进行了深入地分析。观测发现:薄膜损伤点的特征是膜面出现凹陷的点坑,周围分散着由厚到薄变化的沉积层,XRD光谱检测显示出现了薄膜材料的晶化。利用杂质缺陷诱导薄膜损伤模型对以上损伤的形貌成因进行了分析。研究表明:杂质粒子对激光脉冲能量的强烈吸收会引起邻近光学材料的迅速熔化、汽化和电离,形成复杂物态结构混合物;在激光等离子体冲击波作用下,混合物发生喷溅扩散形成凹陷坑。在扩散冷却过程中沉积物会发生结晶,X射线衍射显示出薄膜材料SiO2晶态的衍射峰。     

激光对金属铜微孔加工的热力学过程研究

采用纳秒激光脉冲对铜金属进行了打孔实验,对微孔形貌进行了观察并对其热力学过程进行了相应的分析。研究表明,微孔的形貌是由凹坑和周围隆起组成,坑深随着脉冲能量的增加而增加。热力学分析表明,激光辐照金属打孔需要两个基本条件：一是激光脉冲能量的沉积,使金属材料发生熔化、汽化以及电离等相变,使得材料更容易去除;激光等离子体作为二次热源会更有效把激光脉冲能量耦合到金属表面;二是激光等离子体的冲击波效应,这种效应会把发生相变的材料有效及时排出,从而有效形成微孔。