对超短脉冲激光引雷产生的等离子体通道的特性分析

 利用隧道电离诱导闪电模型,对超短脉冲激光在大气中产生弱等离子体通道的电阻和阈值强度进行了分析和计算。结果显示：强度为10¹⁴ W/cm²量级的超短脉冲激光产生的气体等离子体通道有较好的导电性,所需激光能量很小, 说明在该模型下激光能量的利用效率很高。     

纳秒激光电离分子团簇产生高离化离子的激光波长效应

 利用脉冲分子束-激光电离-飞行时间质谱仪,在10⁹～10¹² W·cm^-2激光功率密度条件下,考察了Nd：YAG激光器输出的1 064,532,266 nm波长的激光与苯、氨、硫化氢等团簇的相互作用。发现1 064 nm的激光可以电离分子束产生高离化态的C⁴⁺,N⁵⁺,S⁶⁺等离子;波长为532 nm的激光则电离产生价态较低的C³⁺,C²⁺,N³⁺,N²⁺, S⁴⁺,S³⁺以及S²⁺ 等离子;在266 nm波长条件下进行实验,没有产生任何高价离子。提出了一个“多光子电离引发-逆轫致吸收加热-电子碰撞电离”模型来解释高价离子的产生。激光场下电子在团簇内部的逆轫致加热是整个过程的关键步骤,电子被加热的速度正比于激光波长的平方。这可以解释为何长波长的激光有利于更高价态离子的产生。     

超短超强激光与薄膜靶作用的光学光谱

 在SILEX-Ⅰ超短超强激光装置上,研究了30 fs,1.0×10¹⁹ W/cm²超短超强激光脉冲与薄膜靶作用产生的发射光谱。对于3 μm厚的铜靶,在激光沿靶面的镜面反射方向观测到二倍频和3/2倍频光谱,且都发生了红移。由红移量推测出等离子体反射面的后退速度约为2.6×10⁸ cm/s。对于200 nm厚CH靶,沿激光传播方向观察到超连续光谱,光谱波长范围从约300 nm延伸至约940 nm。利用MULTI-1D流体程序,模拟了超强激光的预脉冲与薄膜靶相互作用过程,结果表明,预脉冲对预等离子体的密度分布有显著影响,是导致实验观测光谱差异的原因。     

被动谐波锁模掺Yb3+光纤环形激光器

 利用光纤的非线性偏振旋转效应产生可饱和吸收体的锁模机制，从掺Yb³⁺光纤环形激光器中得到稳定高阶谐波锁模光脉冲。理论分析了工作于正色散区的掺Yb³⁺光纤环形激光器的特性。实验中观测到了掺Yb³⁺光纤环形激光器3种不同演化方式产生高阶锁模光脉冲。4阶谐波锁模脉冲（107.2 MHz重复频率）经过1 m长高掺杂Yb³⁺光纤放大器放大后产生了平均功率100 mW，脉宽22.8 ps的脉冲，最后经过光栅压缩得到了平均输出功率20 mW，脉宽307 fs，脉冲中心波长1 051.2 nm，带宽13.76 nm的激光。     

多脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀效应

 开展了脉宽为40 fs的不同数量激光脉冲对锗材料的烧蚀效应实验,采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜等方法对不同数量的飞秒激光脉冲作用下锗材料表面烧蚀区进行了检测,并对作用后材料烧蚀形貌演化规律进行了分析,初步分析了锗材料烧蚀区周围形成的不同环区的形貌特征及成因,对各环区烧蚀形貌特征随激光作用脉冲数的增加而产生的形貌演化过程进行了观测。并给出单脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀阈值为1.2 J·cm^-2,采用激光共聚焦显微镜测得该阈值条件下单个飞秒激光脉冲对锗材料的烧蚀深度约为150 nm。     

飞秒激光激发空气电离的阈值研究

报道在脉宽50fs—22ps，波长800nm脉冲激光作用下的空气电离阈值的研究结果.利用探测等离子体发光信号的方法，实验测量了激发空气电离所需的阈值激光强度.结果表明，当激光脉冲宽度从50fs增加到22ps时，阈值光强I_th从8.7×10¹⁴W/cm²下降到2.7×10¹³W/cm²；I_th经历了由迅速降低逐渐发展为缓慢降低的过程.在50fs—1p     

紫外超短脉冲激光辐照固体靶产生硬X射线研究

 实验研究了紫外高强度超短脉冲激光(248nm, 440fs, 50mJ)辐照固体靶时产生的硬X-射线(>30 keV)能量连续谱，靶上强度达到10¹⁷ W/cm²。P极化光45°照射5mm铜片，实验探测到了能量大于200keV的X射线信号，利用Maxwellian分布拟合能谱得到了的超热电子温度为67keV。     

飞秒激光-薄膜靶相互作用中超热电子产额和激光转化效率

 在激光能量130 mJ（靶面），脉宽60 fs，波长800 nm，对比度1∶10^-6，激光与靶法线成45°夹角，P偏振，靶面激光峰值功率密度约为7.0×10¹⁷ W·cm^-2，无预脉冲的条件下，采用电子谱仪与经γ标准源标定的LiF热释光探测器（TLD）相配合，测量了飞秒激光-薄膜靶相互作用中产生的超热电子能谱。根据所测的能谱，推算出超热电子的产额和激光能量转化为超热电子能量的效率，在靶法线方向分别为1.19×10¹⁰/sr和4.55%/sr，在激光反射方向分别为1.83×10⁹/sr和0.76%/sr。结果显示，不同方向的超热电子产额和激光转化效率有所不同，原因在于激光-等离子体相互作用产生的超热电子构成各向异性的分布。     

低强度激光泵浦类Ni离子X光激光实验

 在试运行的神光Ⅱ装置上,采用新设计的凸柱面透镜列阵均匀线聚焦系统, 用两束激光焦线叠加和双靶对接等技术,以预主脉冲激光驱动方式,在(5～8)×10¹³W/cm²的较低强度激光泵浦条件下,观测到Ni-like　Dy、Er、Yb的软X光激光输出,测得波长5.02nm类Ni-Yb和波长5.86nm类Ni-Dy的软X光激光的增益系数分别为1.6cm^-1和1.4cm^-1     

基于受激布里渊散射能量转移的冲击点火激光技术研究

提出一种新型的激光放大技术, 高效地实现冲击点火所需的10² ps级高功率激光脉冲. 该技术耦合了传统的激光驱动器放大技术和受激布里渊散射(SBS) 脉冲压缩技术, 在不改变现有激光装置主体结构的前提下, 使用长脉冲(数 ns) 充分提取主放大器储能, 然后在系统输出端通过SBS进行脉冲自抽运的能量转移, 将长脉冲能量转移给10² ps级的冲击脉冲, 实现高效放大的目的. 该技术在主动控制下实现能量转移, 将克服传统SBS压缩时间特性不可控的缺点, 输出满足冲击点火时域特性要求的精密控制激光脉冲.     

大气环境下飞秒激光对铝靶烧蚀过程的研究

利用时间分辨的光阴影成像技术研究了在大气环境下飞秒激光烧蚀铝靶的动态过程. 在入射激光能量为4 mJ, 激光光斑超过1 mm时, 激光烧蚀区表面物质以近似平面冲击波形式向外喷射; 在同样激光能量下、激光光斑较小时(约0.6 mm), 激光烧蚀区以近似半球型冲击波形式向外喷射. 当激光能量比较大时(7 mJ), 发现空气的电离对于激光烧蚀靶材有着重要影响. 在光轴附近烧蚀产生的喷射物具有额外的柱状和半圆型的结构, 叠加在平面冲击波结构上.     

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.     

激光烧蚀高纯Zn形成的微米金属球体对后续脉冲激光的耦合增强效应

脉冲激光束在低真空(约2 Pa)环境下聚焦到高纯Zn靶表面, 烧蚀区域不仅有中心深孔的宏观损伤, 而且还发现大量微米量级的类似足球形状的金属Zn球体结构附着生长在孔洞内侧表面. 实验过程中采用等离子体光谱诊断技术研究宏观和微观损伤对后续脉冲激光的影响程度. 与聚焦于金属Zn平滑表面相比, 宏观损伤可以使后续激光诱导的Zn原子334.5 nm谱线强度提高10.3%, 在此基础上大量Zn微米球体附着在内表面可以使谱线强度再提高34.3%. 因此, 推断这些金属Zn微球表面镶嵌着光洁的纳米量级六边形和五边形小平面, 可以对后续脉冲激光产生镜面反射, 使得激光能量汇聚并耦合增强, 提高烧蚀效率. 实验结果还表明, 这些微米球体的数目随着激光脉冲次数的增加而增多, 使得后续激光能够诱导产生更为致密高温的等离子体. 研究结果有望为激光-金属微孔技术提供新思路. 关键词： 脉冲激光烧蚀 微纳米结构 激光诱导等离子体     

Spatial and temporal study of shock waves generated by laser ablation for Ti target

ＳｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｓｔｕｄｙｏｆｓｈｏｃｋｗａｖｅｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎｆｏｒＴｉｔａｒｇｅｔＷＵＪｉａｄａ；ＷＵＬｉｎｇｈｕｉ；ＷＵＣｈａｎｇｚｈｅｎｇ；ＬＩＦｕｍｉｎｇ（ＳｔａｔｅＫｅｙＪｏｉｎｔＬａ...     

Synthesis of nanocrystalline titania in pure water by pulsed Nd:YAG Laser

Synthesis of titania (TiO₂) nanoparticles (NPs) has been performed with pulsed laser ablation (PLA) approach by irradiating a 1064 nm Nd:YAG laser pulses on the titanium target immersed in pure water. A systematic characterization on the products, synthesized in different laser pulse energies, illustrated the conspicuous dependence of crystalline phase and size distribution of the NPs on this parameter. Emission spectroscopy of the induced plasma was exploited to justify the formation of titania NPs through the synthesis process, as well as the emergence of rutile phase beside the anatase by increasing the laser pulse energies. In addition, UV-vis optical absorption and Raman spectroscopy, associated with X-ray diffraction (XRD) were employed to quantitatively determine the crystalline phases of the products. Morphological observations by means of transmission electron microscopy (TEM), demonstrating the spherical shape of the synthesized NPs, was utilized to investigate the variation of particle size distribution with the laser pulse energy.     

Impact of an extended source in laser ablation using pulsed digital holographic interferometry and modelling

Pulsed digital holographic interferometry has been used to study the effect of the laser spot diameter on the shock wave generated in the ablation process of an Nd:YAG laser pulse on a Zn target under atmospheric pressure. For different laser spot diameters and time delays, the propagation of the expanding vapour and of the shock wave were recorded by intensity maps calculated using the recorded digital holograms. From the latter, the phase maps, the refractive index and the density field can be derived. A model was developed that approaches the density distribution, in particular the ellipsoidal expansion characteristics. The induced shock wave has an ellipsoid shape that approaches a sphere for decreasing spot diameter. The ellipsoidal shock waves have almost the same centre offset towards the laser beam and the same aspect ratio for different time steps. The model facilitates the derivation of the particle velocity field. The method provides valuable quantitative results that are discussed, in particular in comparison with the simpler point source explosion theory.     

A study of electron beams extracted from a plasma produced by laser interaction with a solid target

In this work, wave formation in laser-produced plasma is investigated by an analysis of time-of-flight signal of the electron pulse. Electrons are extracted from a non-equilibrium plasma, generated by pulsed laser ablation on a solid Ge target. The process is represented by ion-acoustic waves, which are generated from an external perturbation, given by the positive bias voltage of a Faraday cup. The characteristics of the waves depend substantially on the geometry of the plasma expansion chamber and on laser fluence, but are independent on bias potential. A KrF excimer UV laser was employed for plasma generation. Measurements were performed at two different laser fluences, 4 and 7 J/cm². The plasma created propagates with a mean velocity of about 1.1?×?10⁴ m/s. A movable Faraday cup was employed in order to collect electrons at different bias voltage values.     

发射光谱法研究纳秒激光烧蚀硅等离子体特性

利用调Q Nd3+∶YAG激光器三倍频355 nm激光脉冲烧蚀空气环境的硅样品,观测不同脉冲激光能量下产生的等离子体在380～420 nm范围内的时间-空间分辨等离子体发射光谱,观测到在等离子体羽膨胀初期存在N+发射光谱。在局域热力学平衡近似条件下,根据时间-空间分辨等离子体发射光谱计算得到等离子羽体电子温度和电子密度随时间延时存在二次指数衰减变化,等离子体羽体电子温度和电子密度的空间分布近似呈Lorentz分布,发现在确定激光脉冲能量下电子密度空间分布最大值偏离光谱强度最大空间位置并对产生原因进行分析,探讨了等离子体羽参数与激光脉冲能量的关系。     

飞秒脉冲烧蚀单晶硅的超快动力学

利用基于Pump-probe系统的超快时间分辨阴影图的方法,研究了空气中飞秒激光烧蚀单晶硅的动力学过程。实验采用脉宽为50 fs、平均能量密度约35 J/cm2的单脉冲激光烧蚀单晶硅,获取飞秒激光烧蚀单晶硅过程中等离子体和冲击波的形成和发展过程的时间分辨阴影图。实验结果表明:飞秒激光烧蚀单晶硅导致其表面物质喷发的过程是不连续的,分为明显的两次喷发过程。这表明飞秒激光与单晶硅作用的过程中,在不同的时间段可能由不同的机制主导,在前期可能是多光子电离为主,在后期可能是由多光子效应和雪崩效应共同作用。研究还发现,延迟时间较长时,冲击波形状发生畸变。     

Features of the generation of a collisionless electrostatic shock wave in a laser-ablation plasma

The appearance of a density bump is experimentally revealed in an electrostatic shock wave during the ablation of an aluminum foil by a femtosecond laser pulse. The numerical simulation shows that this phenomenon can be explained by the generation of a packet of ion acoustic waves under the action of high-energy electron flows in a collisionless plasma. It is found that, for the formation and maintenance of the dense plasma layer in the shock wave, the contributions of accelerated ions overtaking it and wave-captured ions of the background plasma formed by a nanosecond laser prepulse in the process of ablation are significant.