A New theory for evaluating the number density of inclusions in films

A new formulation derived from thermal characters of inclusions and host films for estimating laser induced damage threshold has been deduced. This formulation is applicable for dielectric films when they are irradiated by laser beam with pulse width longer than tens picoseconds. This formulation can interpret the relationship between pulse-width and damage threshold energy density of laser pulse obtained experimentally. Using this formulation, we can analyze which kind of inclusion is the most harmful inclusion. Combining it with fractal distribution of inclusions, we have obtained an equation which describes relationship between number density of inclusions and damage probability. Using this equation, according to damage probability and corresponding laser energy density, we can evaluate the number density and distribution in size dimension of the most harmful inclusions.     

薄膜体内缺陷对损伤概率的影响

由实验中得到的激光损伤概率与表面杂质密度的关系出发，结合XRD测试和激光损伤测试的结果，得到体缺陷或杂质破坏起主导作用的损伤机理.将激光作用时杂质吸收的热学和力学过程与杂质分布的统计规律结合起来，得到了深埋于薄膜内部的杂质诱导薄膜损伤概率与杂质密度、激光功率密度以及薄膜厚度的关系.该模型认为能诱导薄膜破坏的杂质尺寸范围与杂质填埋深度有关，所以不同深度处能诱导薄膜损伤的杂质密度不一样，理论结果与实验结果符合得很好.该理论模型还可以很好地解释损伤形貌.     

长脉冲激光作用下薄膜表面鼓包的形成机理

 在光学薄膜的激光损伤实验中，可以在显微镜下观测到激光辐照引起的尺寸较大、形状对称性很好的鼓包。从杂质气化的角度，应用弹性力学的球壳受压膨胀模型，分析薄膜表面鼓包的形成机制，同时得到了相应情况下薄膜的损伤机制。结果表明，半径越大杂质在激光辐照下越容易引起薄膜破坏，填埋得越浅的杂质也越容易引起薄膜破坏。杂质诱导破坏机制下，薄膜的裂纹首先出现在杂质附近的薄膜基体中。在薄膜中出现裂纹的临界状态时，半径越大、填埋得越深的杂质所引起的鼓包尺寸越大、高度越高。这种热力耦合模型，弥补了现有理论的不足，进一步完善了现有理论。     

吸收杂质热辐射诱导光学薄膜破坏的热力机制

光学元件的破坏是限制高功率激光系统发展的主要问题,理解光学元件的破坏机制对于高功率激光系统的设计、运行参量选择以及器件技术发展有重要影响.以热辐射模型为基础研究了杂质吸收诱导光学薄膜破坏的热力过程.研究发现薄膜发生初始破坏所需时间很短,脉冲的大部分时间是引起薄膜发生更大的破坏.在考虑吸收杂质发生相变的情况下,计算了吸收杂质汽化对薄膜产生的蒸汽压力,论证了薄膜发生宏观破坏的可能性.此模型能很好地解释光学薄膜的平底坑破坏形貌.     

1064 nm和532 nm纳秒激光同时辐照熔石英损伤规律的研究

利用Nd: YAG激光器研究基频(1064 nm)与倍频(532 nm)单独辐照和同时辐照下熔石英的损伤规律,对损伤几率进行了测试,获得损伤几率曲线与典型损伤形貌。研究结果表明:双波长同时辐照下的初始损伤阈值总是小于单波长辐照下的初始损伤阈值;基频光中加入定量倍频光后,熔石英对基频光的吸收效率提高;并且双波长同时辐照下,熔石英损伤密度增大;原因主要是熔石英表面缺陷对不同波长吸收机制的差异。     

Damage threshold influenced by polishing imperfection distribution under 355-nm laser irradiation

A systematic interpretation of laser-induced damage in the nanosecond regime is realized with a defect distribution buried inside the redeposited layer arising from a polishing process. Under the 355-nm laser irradiation, the size dependence of the defect embedded in the fused silica can be illustrated through the thermal conduction model. Considering CeO_2 as the major initiator, the size distribution with the power law model is determined from the damage probability statistics. To verify the accuracy of the size distribution, the ion output scaling with depth for the inclusion element is obtained with the secondary ion mass spectrometer. For CeO_2 particulates in size of the depth interval with ion output satisfied in the negative exponential form, the corresponding density is consistent with that of the identical size in the calculated size distribution. This coincidence implies an alternative method for the density analysis of photoactive imperfections within optical components at the semi-quantitative level based on the laser damage tests.     

1 064 nm激光对氧化铟锡薄膜的损伤研究

 液晶光学器件在激光光束精密控制上具有重要应用前景,氧化铟锡（ITO）薄膜作为液晶光学器件的透明导电电极,是液晶器件激光损伤的薄弱环节。为此,建立了ITO薄膜激光热损伤物理模型。理论计算结果表明：1 064 nm激光对ITO薄膜的损伤主要为热应力损伤;连续激光辐照下,薄膜损伤始于靠近界面的玻璃基底内;脉冲激光辐照下,温升主要发生在光斑范围内的膜层,薄膜损伤从表面开始。利用泵浦探测技术,研究了ITO薄膜的损伤情况,测量了不同功率密度激光辐照后薄膜的方块电阻,结合1-on-1法测定了ITO薄膜的50%损伤几率阈值。实验结果表明：薄膜越厚,方块电阻越小,激光损伤阈值越低;薄膜未完全损伤前,方块电阻随激光功率密度的增加而增大。理论计算与实验结果吻合较好。设计液晶光学器件中的ITO薄膜电极厚度时,应综合考虑激光损伤、透光率及薄膜电阻的影响。     

VO2光学薄膜的脉冲激光损伤特性测试

为评价VO2光学薄膜在光电器件中的工作可靠性,搭建了可输出连续渐变激光能量密度的脉冲激光照射实验平台,运用1对1与s对12种激光损伤测试手段进行激光辐射照射实验,采用线性外推法和测量计算法2种方法对实验结果进行了处理并得出VO2薄膜在重复频率10 kHz、中心波长532 nm、脉冲宽度15 ps脉冲激光辐射下的损伤特性。结果表明:VO2薄膜损伤几率与脉冲激光的单脉冲能量密度呈线性关系,重复辐射的激光脉冲对VO2薄膜造成的损伤具有积累效应,且重复辐射的激光脉冲次数越多损伤积累效果越明显。     

Effect of hydrogen on surface texturing and crystallization of a-Si:H thin film irradiated by excimer laser

Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films have been considered for use in solar cell applications because of their significantly reduced cost compared to crystalline bulk silicon. However, their overall efficiency and stability are lower than that of their bulk crystalline counterpart. Limited work has been performed on simultaneously solving the efficiency and stability issues of a-Si:H. Previous work has shown that surface texturing and crystallization on a-Si:H thin film can be achieved through a single-step laser processing, which can potentially alleviate the disadvantages of a-Si:H in solar cell applications. In this study, hydrogenated and dehydrogenated amorphous silicon thin films deposited on glass substrates were irradiated by KrF excimer laser pulses and the effect of hydrogen on surface morphologies and microstructures is discussed. Sharp spikes are focused only on hydrogenated films, and the large-grained and fine-grained regions caused by two crystallization processes are also induced by presence of hydrogen. Enhanced light absorptance is observed due to light trapping based on surface geometry changes of a-Si:H films, while the formation of a mixture of nanocrystalline silicon and original amorphous silicon after crystallization suggests that the overall material stability can potentially improve. The relationship between crystallinity, fluence and number of pulses is also investigated. Furthermore, a step-by-step crystallization process is introduced to prevent the hydrogen from diffusing out in order to reduce the defect density, and the relationship between residue hydrogen concentration, fluence and step width is discussed. Finally, the combined effects show that the single-step process of surface texturing and step-by-step crystallization induced by excimer laser processing are promising for a-Si:H thin-film solar cell applications.     

KDP晶体微纳加工表层杂质对其激光损伤阈值影响的有限元分析

 根据KDP晶体杂质附近的温度场及热应力场理论,分析了微纳加工表层杂质影响下晶体温度场及热应力场的分布情况,发现杂质离子对激光的强吸收作用是造成KDP晶体损伤的主要原因之一,也是影响KDP晶体激光损伤阈值的最主要因素。通过分析还发现杂质半径对晶体的激光损伤阈值也有影响,并得到一个有害的杂质半径,使得杂质吸收能量最多,温度最高。另外杂质种类及杂质含量的不同也会对晶体的激光损伤阈值产生影响。     

连续激光辐照GaAs材料损伤的数值模拟计算

基于热传导理论,构建了高斯分布的连续激光辐照GaAs材料的二维轴对称非稳态物理模型,且利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics求解热传导方程得到了材料表面温度分布曲线以及光斑中心处温度沿厚度方向分布曲线,并得出GaAs材料的分解损伤时间与入射光功率密度的关系曲线.研究表明,在连续激光辐照下,GaAs材料可能会发生分解损伤,激光功率越高,材料被破坏所需的时间越短.理论计算结果与相关的实验结论一致,说明所建立的激光辐照效应模型具有科学性.     

重复频率脉冲激光作用下膜内包裹物对损伤阈值的影响

 利用介质薄膜中包裹物的热理论模型，结合S.Papernov 等利用电子束蒸发技术在熔融石英上沉积含Au包裹物的HfO2薄膜实验，得出Au的吸收截面。以包裹物Au为例，计算了脉冲激光作用下不同包裹物半径对损伤阈值的影响，分析了重复率脉冲激光作用下薄膜损伤阈值的变化及重复频率与激光损伤阈值的关系。结果表明：随着包裹物半径的增加，激光损伤阈值先减小，接着增加而后再减小。激光损伤阈值与脉冲宽度的0.4次方成正比。随着脉冲重复频率的增加，激光损伤阈值单调下降，产生损伤所需的最小脉冲数则单调上升。     

初始电子密度对光学薄膜激光损伤机制的影响

光学元件的激光损伤问题是激光器件向高功率密度方向发展中必须认识和克服的问题.基于Forkker-Planck方程,研究了激光与材料相互作用时的雪崩电离机制、多光子电离机制以及联合两种机制的情况.雪崩电离的产生需要一定密度的初始自由电子存在,该自由电子可以是材料中原本就存在的,也可能是光电离产生的.着重分析了材料中的初始自由电子对材料电离机制的影响.结果表明,雪崩过程在激光作用一段时间后会达到一个稳定的电离阶段(以自由电子平均能量不随时间变化为特征,且此时雪崩电离为材料电离的主导机制),该时间与光电离速率、材料中初始自由电子密度有关.材料中的初始自由电子可以在一定程度上掩盖光电离的作用效果.     

初始电子密度对光学薄膜激光损伤机制的影响

光学元件的激光损伤问题是激光器件向高功率密度方向发展中必须认识和克服的问题.基于Forkker-Planck方程,研究了激光与材料相互作用时的雪崩电离机制、多光子电离机制以及联合两种机制的情况.雪崩电离的产生需要一定密度的初始自由电子存在,该自由电子可以是材料中原本就存在的,也可能是光电离产生的.着重分析了材料中的初始自由电子对材料电离机制的影响.结果表明,雪崩过程在激光作用一段时间后会达到一个稳定的电离阶段（以自由电子平均能量不随时间变化为特征,且此时雪崩电离为材料电离的主导机制）,该时间与光电离速率、材料中初始自由电子密度有关.材料中的初始自由电子可以在一定程度上掩盖光电离的作用效果.
关键词:初始电子;激光损伤;光电离;雪崩电离     

杂质诱导熔石英激光的损伤机理

发展了355 nm纳秒激光下亚波长杂质粒子引起熔石英损伤的基本模型。通过Mie散射理论和热传导方程,计算了粒子与熔石英边界处的温度随粒子尺寸的变化关系,并分析了达到临界温度时,不同粒子诱导损伤所需的关键能量密度,讨论了各粒子最易引起熔石英损伤的尺寸。实验采用355 nm纳秒激光脉冲作用熔石英及其HF刻蚀样品,测得两者的损伤概率。研究表明:粒子吸收激光能量,随着粒子半径的增加,其边缘温度先增大后减小,一定尺寸范围内的粒子才会引起熔石英的损伤;关键能量密度所对应的粒子半径为最易引起熔石英损伤的关键粒子半径;经刻蚀后,熔石英样品表面杂质数密度降低,损伤概率降低,损伤阈值提高。     

Dangerous situations in a synchronized flow model

This paper studies the dangerous situation (DS) in a synchronized flow model. The DS on the two branches of the fundamental diagram are investigated, respectively. It is shown that different relationship between DS probability and the density exists in the synchronized flow and in the jams. Moreover, we prove that there is no DS caused by non-stopped car although the model itself is a non-exclusion process. We classify the DS into four sub-types and study the probability of these four sub-types. The simulation result is consistent with the real traffic.     

粗糙表面对散斑统计特性的影响

为研究高速摄影中激光相干噪声的影响因素,降低激光照明中散斑噪声对高速摄影成像质量的影响,对激光照射表面的粗糙程度与形成的散斑场统计特性之间的关系进行了研究。基于菲涅尔-基尔霍夫衍射原理,分析了高斯光束入射在随机粗糙表面上经反射形成的散斑图样,通过对大量散斑图样的数据统计,得出了激光散斑的信噪比、自相关函数、概率密度函数与入射表面粗糙度之间的变化关系。计算结果表明:粗糙度的增大使散斑场信噪比降低、相干程度减小、概率密度降低,即表面越粗糙散斑噪声越严重。     

大口径DKDP元件的辐照损伤分布特性

大口径高能激光装置是各强国积极研究的重点项目。对装置内大口径光学元件损伤特性进行有效评估具有非常重要的意义,在此研究大尺寸光学元件表面损伤。通过分段拍摄、图像拼合、损伤点记录、统计与归纳等工作发现,不同尺寸损伤点的分布特性差异较大。结合统计学方法与类似实验对比、理论计算等方式对损伤点分布与样品辐照环境特性变化的关系进行分析。结果显示,损伤点的位置分布与辐照光束的能量密度关联紧密;系统光束(351 nm)在低于6 J/cm2时能量分布均匀,高于6.7 J/cm2时呈现较为明显的高斯分布状态。可以为大口径高能辐照环境的元件损伤特性评估提供有价值的参考,对大口径紫外激光器的日常运行与维护具有极其重要的工程意义。     

激光光热偏转成象法无损检测光学薄膜的激光损伤

介绍了应用激光光热偏转成象法无损检测光学薄膜激光损伤的基本原理，由此建立了实验检测装置，对光学薄膜表面的激光损伤进行了扫描检测，并以直观的灰度象显示. 实验结果证明了激光光热偏转成象法检测光学薄膜激光损伤具有直观、有效、可确定损伤阈值的优点.     

光学玻璃基底原子层同质材料沉积薄膜光谱及激光诱导损伤特性研究

通过原子层沉积技术在熔石英玻璃表面制备了同质材料的单层SiO₂薄膜,对光学薄膜的物理化学性质和强激光辐照下的激光诱导损伤性能进行了深入研究。实验中采用双叔丁基氨基硅烷（BTBAS）和臭氧（O₃）作为反应前驱体,在熔石英光学元件表面进行了SiO₂薄膜的原子层沉积工艺研究,以不同沉积温度条件制备了一系列膜样品。首先对原子层沉积特性和薄膜均匀性展开了研究,发现薄膜生长厚度与沉积循环次数之间符合线性生长规律,验证了制备薄膜的原子级逐层生长特性,并且表面沉积膜层的均匀性很好,其测得膜厚波动不超过2%。然后针对不同温度条件下沉积的SiO₂薄膜,对其粗糙度及各类光谱特性展开了研究,对比结果表明：样品的表面粗糙度在镀膜后有轻微的降低;薄膜样品在200～1 000 nm范围内具有出色的透过率,均超过90%并逐渐趋近于93.3%,且其透射光谱与在裸露熔石英衬底上测得的光谱没有明显差异;镀膜前后荧光光谱和傅里叶变换红外光谱的差异证实了原子层沉积SiO₂膜中点缺陷（非桥键氧、氧空位、羟基等）的存在,这将会影响薄膜耐损伤性能。最后对衬底和膜样品进行了紫外激光诱导损伤测试,损伤阈值的变化表明熔石英元件表面沉积薄膜后的激光损伤性能有所降低,其零概率损伤阈值从31.8 J·cm-2减小到20 J·cm-2左右,与光谱缺陷情况表征相符合。薄膜中点缺陷部位会吸收紫外激光能量,导致局域温度升高,进而出现激光诱导损伤现象并降低抗激光损伤阈值。在选定的沉积温度范围内,较高温度条件下沉积的SiO₂薄膜其激光诱导损伤性能更好,可以控制沉积温度条件使得元件的抗损伤性能更为接近衬底本身,后续有望通过其他反应参数的优化来获得薄膜抗损伤性能的进一步提升。