基于SBS效应激光波长对光学材料损伤的影响

从耦合波理论出发,采用纵向受激布里渊散射(SBS)模型,通过时域有限差分法数值求解了瞬态SBS耦合波方程组,得到了泵浦光、Stokes光强度及声波产生应力随时间的分布;研究了在三种常见波长激光(基频、倍频和三倍频)作用下SBS效应的发展过程及其对光学材料损伤过程的影响。结果表明:种子光作用主要体现在SBS起振阶段,一旦进入稳态阶段,Stokes光强及应力发展的最大值、稳态值依赖于泵浦光的大小;在相同脉冲宽度下,激光波长越短,SBS发生越早,发展越快,更易造成光学元件的力学损伤;三倍频激光产生最大应力为基频光产生最大应力的100倍,且相比于倍频激光,产生最大应力的时刻要提前15ns。     

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。     

三种不同波长的激光对熔石英损伤行为的对比研究

利用SAGA激光器,输出脉宽为7．2ns、波长分别为1064nm、532nm、355nm的基频光和倍频光,对相同类型的5块石英基片用R：1的方法分别测量了其损伤阂值,对比不同波长激光对石英材料的损伤行为差异。得出其损伤阈值在三种不同波长激光作用下分别为：46．78J／cm^2、13．4J／cm^2、9．28J／cm^2;并利用尼康E600W光学显微镜对三种不同波长激光造成的损伤形貌进行了观察,结合当前光学材料的损伤机理,对比得出倍频激光对石英基片的损伤破坏能力远大于基频光,且对石英材料的损伤机理主要表现为多光子吸收导致的雪崩电离破坏,而基频光的损伤多为表面缺陷及杂质引起的热破坏的结论。     

等离子体闪光法识别薄膜损伤的误判消除方法

传统的等离子体闪光法,是根据探测器是否接收到来自薄膜样片周围发射的闪光信号,对薄膜是否发生损伤进行评判,这样的评判方法极易把空气与薄膜的等离子体闪光混淆而发生误判。为了消除这种误判,提出通过比较空气和薄膜各自的等离子体闪光的点燃时间,利用两者时间上的差异,实现对传统等离子体闪光法误判现象的消除方法。为了验证新方法的可靠性,借助于多光子吸收和级联电离理论,建立了空气等离体子体点燃时间的计算模型,根据薄膜与激光的相互作用原理建立了薄膜被击穿时的等离子体点燃时间计算模型,利用建立的模型仿真计算了空气和薄膜的等离子体闪光点燃时间分别为1.856和7.843 ns;搭建实验装置以实现对传统等离子体闪光法的更新,在装置中的不同位置设置三个光电探测器分别采集入射激光信号、空气和薄膜等离子体闪光信号,采集入射激光信号的光电探测器置于聚焦透镜的侧面,另外两个探测器位于薄膜样片周围且左右对称放置,分别用于采集薄膜的等离子体闪光信号和空气的等离子体闪光信号,所有光电探测器采集的信号转换为电信号后同步传输至示波器,以入射激光信号为基准信号,其与空气和薄膜等离子体闪光信号的起始时刻之差,分别为空气和薄膜等离子体闪光点燃时间。脉宽为10 ns、波长为1 064 nm的Nd∶YAG脉冲激光以0.015 cm的聚焦光斑半径、82.4 mJ的入射能量作用于光学厚度为λ/4、直径为20 mm的单层Al₂O₃薄膜样片上后,采集上述激光作用条件下的各路信号,经处理后得到的空气和薄膜的等离子体闪光点燃时间测试值分别为2.7和7.8 ns;理论计算和实验测试结果表明,空气的点燃时间总是小于薄膜的点燃时间,二者有很好的一致性。说明当强激光作用于单层Al₂O₃薄膜表面时,空气等离子体闪光先于薄膜等离子体闪光发生。基于空气和薄膜等离子体闪光点燃时间上的这种差异,利用闪光信号时间上的差别就可准确分辨出薄膜是否发生损伤,从而获得识别薄膜损伤与否的判据,这种从时间差异上识别薄膜等离子体闪光损伤的新方法,无论从理论上还是实验上均为传统等离子体闪光法误判现象的消除提供了技术基础。     

多波长辐照下熔石英光学元件的损伤及损伤增长

对比研究了基频、二倍频和三倍频激光单独和同时辐照下熔石英光学元件的初始损伤和损伤增长规律, 重点研究了基频和二倍频的加入对三倍频诱导初始损伤和损伤增长的影响, 分析了基频和二倍频相对于三倍频的折算因子。研究结果表明: 当基频和二倍频能量密度较低时, 它们对三倍频损伤几率曲线的影响可以忽略, 但会引起损伤程度的增加; 在多波长同时辐照的损伤增长中, 损伤增长阈值主要取决于三倍频的能量密度, 而损伤增长系数与总的能量密度有关; 折算因子可以同时反映初始损伤和损伤增长的波长效应和波长间的能量耦合效应。     

利用受激布里渊散射获得皮秒激光脉冲

 采用两级布里渊结构压缩8ns的Nd：YAG激光，研究了基频光和倍频光的受激布里渊散射（SBS）压缩过程。实验中采用四氯化碳作为SBS介质，经第一级双池SBS压缩后，获得了1.5ns左右的Stokes 脉冲；第二级采用单池SBS压缩，分别使用基频光和倍频光作为泵浦光，获得了最短为60ps 的Stokes脉冲。实验证明，在一定条件下，利用SBS压缩脉宽可以获得比介质的声子寿命更短的脉冲。     

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介绍了在神光Ⅱ装置上开展的长脉冲2ns三倍频激光与黑腔靶相互作用的实验。报道了采用PIN探测器阵列测量大角度受激Raman散射（SRS）角分布和采用激光卡计对背向SRS光能量积分测量的实验结果。相同实验条件下激光辐照缝靶产生的SRS光能量要强于激光与全腔靶作用产生的SRS光，小腔靶的SRS光能量要强于标准腔靶。对比长脉冲2ns及短脉冲1ns激光打靶实验结果可以看出：由于激光功率密度的下降，长脉冲激光打靶时SRS散射光能量要弱于短脉冲激光打靶。长脉冲2ns激光与标准腔靶相互作用时，等离子体堵腔比较严重。     

用受激喇曼散射方法产生紫外皮秒激光探针测量

 将波长1053nm、能量60～100mJ、脉冲宽度800ps的基频光,经二倍频、四倍频转换作为H₂喇曼池的泵浦光,基于后向喇曼散射光的压缩原理,获得了波长296nm、能量约2mJ、脉冲宽度81ps的紫外超短脉冲激光,可用于ICF物理诊断实验。     

三倍频熔石英激光损伤的吸收前驱体

 在三倍频熔石英激光损伤研究中,吸收前驱体的存在是造成熔石英材料表面损伤阈值远低于体损伤阈值的主要原因。以吸收作为主线,建立吸收前驱体引起的熔石英表面损伤模型,并讨论吸收前驱体与熔石英表面损伤的联系。针对金属元素微粒残留理论模拟了激光辐照过程中微粒周围温度场的变化,结果表明在脉冲时间内微粒周围温度很快到达损伤判据所给出的临界温度,通过激光损伤实验,证实吸收性微粒含量与损伤密度有密切联系。针对亚表面裂纹,建立一维模型计算受激后裂纹表面附近自由电子密度分布。计算结果和实验结果均表明：金属元素微粒和亚表面裂纹是熔石英激光损伤中重要的吸收前驱体,金属元素微粒对激光能量的吸收致使周围材料温度在脉冲时间内达到损伤判据温度2 000 K;受激后裂纹表面的自由电子密度达到1021 cm-3的水平,可导致对后续激光的强烈吸收;两种吸收前驱体极大降低了熔石英材料的表面抗损伤性能。     

355 nm纳秒紫外激光辐照下熔石英前后表面损伤的对比研究

为了理解前后表面损伤不对称性的物理内涵, 利用阴影成像技术研究了纳秒紫外激光诱使熔石英光学元件表面损伤的时间分辨动力学过程.研究表明,纳秒紫外激光与熔石英作用过程中前后表面损伤的物理机理是完全不同的.前表面处空气中等离子体和冲击波较强, 等离子体的屏蔽作用抑制了余脉冲能量的沉积, 降低了元件损伤程度.而后表面处等离子体吸收激光能量膨胀, 对后表面冲击作用更为严重, 形成的等离子体电子密度可达到10²³cm^-3以上, 反射部分激光能量与入射的激光余脉冲干涉, 使得 关键词： 熔石英 激光诱使损伤 阴影成像技术 光学元件表面     

Frequency conversion of subnanojoule femtosecond pulses in microstructure fibers

We experimentally demonstrate highly efficient multiplex frequency conversion of unamplified subnanojoule femtosecond pulses of Ti:sapphire laser radiation in fused silica microstructure fibers. Nonlinear optical spectral transformation of femtosecond pulses in an array of fused silica threadlike channels in these microstructure fibers results in the generation of isolated anti-Stokes spectral components within the wavelength range of 400–500 nm. An efficiency of frequency conversion of about 20% is achieved for 800-nm pump pulses with an energy of 0.7 nJ and a pulse duration of 70 fs.     

Ultrafast two-color ablation of fused silica

Two ultrafast laser pulses at the fundamental Ti:sapphire laser wavelength of 800 nm and the second harmonic at 400 nm were used to study the temporal evolution of the transmissivity in fused silica and resulting material ablation. It was observed that there was a sharp drop in the transmissivity of the probe pulse at zero delay between the two pulses, indicating that there was enhanced absorption/reflection due to the creation of defect states or free electron plasma by the pump pulse. Subsequent atomic force microscopy measurements of the ablated holes revealed that the ablated volume increased by about 50% when the separations of the two pulses are within 300 fs. Two-color machining of channels at the surface also showed a similar increase in the machined depth and width when the pulses are overlapped in time. PACS 52.38.Mf; 78.47.+p; 79.20.Ds     

飞秒脉冲在熔石英玻璃中超连续谱产生的研究

从非线性薛定谔方程出发,利用分步傅里叶方法,研究了时空耦合飞秒脉冲在熔石英玻璃中传输时,传输距离、入射激光脉冲峰值功率、衍射、色散和非线性等因素对超连续谱产生的影响。结果表明,飞秒脉冲在熔石英玻璃中传输时,超连续谱的产生主要分为两阶段：由材料的自聚焦等三阶非线性效应引起的脉冲压缩阶段及由自相位调制和材料群速度色散引起脉冲分裂阶段。当高峰值功率的飞秒脉冲在熔石英玻璃中传输时,材料的三阶非线性效应抑制衍射效应,引起脉冲压缩,从而产生子脉冲,由此引入新的频率成分。同时,还研究了同一脉冲不同横向空间位置处的超连续谱的变化规律,在中心频率两侧均有新频率产生。最后,通过实验证实了超连续谱的产生。     

飞秒激光离焦抽运熔融石英产生超连续白光的实验研究

利用飞秒激光在熔融石英介质中传输产生能量达数毫焦、波长范围覆盖400-900 nm 且光谱分布较为均匀的超连续白光,实验过程中将熔融石英介质离焦放置以避免被击穿. 研究了入射激光能量以及介质离焦距离对超连续白光特性的影响. 结果表明采用高能量的入射激光脉冲离焦抽运介质的方法能够有效避免介质 击穿损伤并提高超连续白光脉冲的能量输出.     

预处理对355nm激光作用下熔石英损伤增长的影响

测试了经化学蚀刻、紫外激光预处理及其共同处理后的熔石英355 nm激光损伤阈值;研究了处理前后其损伤斑面积随激光辐照脉冲数的增长情况。结果表明,处理后熔石英355 nm激光损伤阈值得到了提高,且损伤斑面积增长变慢。利用CO2激光对熔石英表面损伤点进行了修复处理,修复后的损伤点R-on-1抗损伤阈值和基底阈值相当,损伤增长得到有效抑制。     

Efficient generation of third harmonic radiation in air filaments: A revisit

In this paper we revisit the third harmonic generation from a femtosecond laser filament in air and its significant enhancement (~ 100 times) with a intercepting pump pulse, which has been reported very recently. The enhanced third harmonic is studied as a function of the pulse polarization, time delay between the pump and signal pulses, laser pulse energy, etc. We provide an explanation for the enhancement of third harmonic based on a quenching of interference effects present near filamentation threshold. Simulations based on a two-color propagation code reproduce well the experimental observations and confirm our interpretation.     

基于类噪声方波脉冲的掺铒光纤激光器

搭建了长腔"8"字型掺铒光纤激光器,并对产生的谐波锁模方波脉冲进行了实验研究.结果表明,该脉冲具有光滑的宽带光谱,示波器上显示为方波脉冲,但自相关迹证实其为类噪声脉冲,即为类噪声方波脉冲;通过调节偏振控制器和泵浦功率等激光器腔内参量,获得了高达5阶的谐波锁模类噪声方波脉冲;该类噪声方波脉冲并非可以无限增大脉冲能量,而是在一定条件下产生脉冲分裂,出现谐波锁模方波脉冲现象.     

抽运光参数对受激布里渊散射的影响

受激布里渊散射（SBS）系统中,具有一定带宽的抽运激光中会含有一定比例的Stokes散射光成分，此Stokes散射光成分经SBS介质后表面反射后，将形成种子光与抽运光联合入射，构成自种子光式SBS放大器.通过数值求解此SBS放大器型耦合波方程组，探讨了抽运光脉冲中所含Stokes散射光成分的比例、抽运激光波长、抽运光能量大小、入射的聚焦高斯光脉冲脉宽、相互作用时间等激光参数对SBS特征参数（Stokes散射光脉冲波形、材料内部最大应力的时间演化及空间分布、脉宽压缩效果、能量提取效率及Stokes散射光的共轭保真度）的影响.同时发现，SBS过程中产生的超声应力不仅会对SBS介质前表面造成破坏，还可能对焦点附近造成破坏；调整各激光参数还会使焦点附近优于前表面先破坏.数值模拟中采用的抽运光是聚焦高斯光束. 关键词： 受激布里渊散射 斯托克斯散射光 冲击应力 能量反射率     

Resonantly pumped,high peak power Er:YAG laser

The high peak power hybrid Er:YAG laser, resonantly pumped at the wavelength of 1532 nm was developed. The fused silica acousto-optic modulator driven by 10 W of RF power was deployed as the Q-switch for such a laser. For the best case of Q-switching regime the pulses of 110 kW peak power (4 mJ, 37 ns) were reached at the pump power of 7.8 W and the repetition rate of 500 Hz.     

超声波辅助酸蚀提高熔石英损伤阈值

为了提高熔石英元件表面抗激光损伤阈值,利用超声波辅助HF酸研究平滑光学元件表面缺陷形貌和去除刻蚀后残留物效果,通过扫描电子显微镜电镜和原子力显微镜记录表面形貌结构,以及单脉冲激光辐照测试抗损伤阈值确定实验参数。研究表明,超声波场的引入能催化HF酸的刻蚀速率、提高钝化效果并且更易剥离嵌入的亚μm级杂质粒子。经过实验测试,获得了熔石英类元件相匹配的超声辅助HF酸刻蚀实验参数,研究结果对应用超声波辅助HF酸研究熔石英表面抗激光损伤有重要意义。