Shadowgraph investigation of plasma shock wave evolution from AI target under 355-nm laser ablation

The propagation of a plasma shock wave generated from an Al target surface ablated by a nanosecond Nd：YAG laser operating at 355 nm in air is investigated at the different focusing positions of the laser beam by using a time-resolved shadowgraph imaging technique. The results show that in the case of a target surface set at the off-focus position, the condition of the focal point behind or in front of the target surface greatly influences the evolution of an Al plasma shock wave, and an ionization channel forms in the case of the focal point set in front of the target surface. Moreover, it is found that the shadowgraph with the evolution time around 100 ns shows that a protrusion appears at the front tip of the shock wave if the focal point is at the target surface. In addition, the calculated results of the expanding velocity of the shock wave front, the mass density, and pressure just behind the shock wave front are presented based on the shadowgraphs.     

Shadowgraph investigation of plasma shock wave evolution from Al target under 355-nm laser ablation

The propagation of a plasma shock wave generated from an Al target surface ablated by a nanosecond Nd:YAG laser operating at 355 nm in air is investigated at the different focusing positions of the laser beam by using a time-resolved shadowgraph imaging technique. The results show that in the case of a target surface set at the off-focus position, the condition of the focal point behind or in front of the target surface greatly influences the evolution of an Al plasma shock wave, and an ionization channel forms in the case of the focal point set in front of the target surface. Moreover, it is found that the shadowgraph with the evolution time around 100 ns shows that a protrusion appears at the front tip of the shock wave if the focal point is at the target surface. In addition, the calculated results of the expanding velocity of the shock wave front, the mass density, and pressure just behind the shock wave front are presented based on the shadowgraphs.     

纳秒激光诱导熔石英光学玻璃的损伤增长

利用Nd:YAG激光器研究了纳秒激光诱导熔石英光学玻璃的初始损伤及损伤增长,对比研究了损伤程度和损伤形貌随激光波长、能量密度、脉冲数及位置的变化规律,并对损伤机制进行了分析和讨论。研究结果表明：初始损伤受损伤先驱的物理化学性质和激光参数的影响,而损伤增长规律与初始损伤程度、激光参数和位置有关;后表面的损伤随脉冲数的增加呈指数关系增长,前表面则呈线性关系;裂纹的产生及其在后续脉冲辐照下的发展是后表面损伤增长的主要原因,高温等离子体表面刻蚀是前表面损伤增长的主要原因     

纳秒激光诱导熔石英光学玻璃的损伤增长

利用Nd:YAG激光器研究了纳秒激光诱导熔石英光学玻璃的初始损伤及损伤增长,对比研究了损伤程度和损伤形貌随激光波长、能量密度、脉冲数及位置的变化规律,并对损伤机制进行了分析和讨论。研究结果表明:初始损伤受损伤先驱的物理化学性质和激光参数的影响,而损伤增长规律与初始损伤程度、激光参数和位置有关;后表面的损伤随脉冲数的增加呈指数关系增长,前表面则呈线性关系;裂纹的产生及其在后续脉冲辐照下的发展是后表面损伤增长的主要原因,高温等离子体表面刻蚀是前表面损伤增长的主要原因     

355 nm皮秒激光辐照下熔石英的损伤特性

利用光学元件激光损伤测试平台,测试了355 nm皮秒激光辐照下熔石英光学元件的初始损伤及损伤增长情况,并通过荧光检测分析了损伤区缺陷。研究结果表明：皮秒激光较高的峰值功率导致熔石英损伤阈值较低,前表面损伤阈值为3.98 J/cm2,后表面损伤阈值为2.91 J/cm2;前后表面损伤形貌存在较大差异,后表面比前表面损伤程度轻且伴随体内丝状损伤;随脉冲数的增加后表面损伤直径增长缓慢,损伤深度呈线性增长;皮秒激光的动态自聚焦和自散焦导致熔石英体内损伤存在细丝和炸裂点重复的现象;与纳秒激光损伤相比,损伤区缺陷发生明显改变。     

表面层对1 064 nm高反射镜损伤阈值影响

 采用电子束蒸发的方法制备了３种具有不同表面层材料及结构的中心波长为1 064 nm的零度高反镜,３种膜系表面层分别为1/4波长光学厚度的HfO₂,1/2波长光学厚度的SiO₂,以及1/4波长光学厚度的SiO₂。光谱测试表明：三者在1 064 nm处均有较高的反射率（高于99.8%）,利用热透镜的方法测量得到３个膜系辐照激光正入射情况下,薄膜对光的吸收比例分别为3.0×10^-6,5.0×10^-6和6.5×10^-6,其损伤阈值分别为32.5,45.2和28.4 J/cm²。并在膜层内部电场分布和膜层材料物理特性的基础上分析了３种不同表面层膜系吸收和损伤阈值差别的原因。     

高功率半导体激光对光学元件损伤特性

为研究880 nm高功率半导体连续激光器对光学元件的损伤特性,选择了K9玻璃、ZnSe晶体和无氧铜进行镀膜加工,形成高反射率和高透过率的光学元件。通过调节到达光学元件表面的平均功率和改变光斑大小来改变光学元件表面的功率密度,并连续照射30 s,最终通过显微镜来观察元件的激光损伤形貌。研究结果表明：镀高反膜的K9玻璃在功率密度达到600 W/cm2时,膜系表面出现烧熔现象,当达到1 000 W/cm2时出现炸裂现象,而无氧铜基底镀金反射镜在上述功率密度下未发现损伤;而镀增透膜的ZnSe晶体在激光功率密度高达1 000 W/cm2时,通过显微镜观察没有发现明显的损伤,热像仪显示基底温升为5 ℃。     

双谐激光场作用下SBS过程诱导的光学材料破坏

提出了光学 力学相干耦合的概念,采用非线性光学的耦合波理论,建立了高功率激光辐照下透明光学材料中相干声波的产生、演化的动力学模型。探讨了在泵浦激光场和Stokes激光场共同作用下受激布里渊过程对光学材料破坏的可能性,计算了稳态情况下激光场在材料内部激发出的应力幅度,结合弹性力学,建立了透明光学材料的相干破坏阈值理论,研究了破坏阈值与Stokes光强的关系,发现在稳态下破坏阈值对Stokes光强并不敏感。分析了在实际情况下一些因素对材料破坏的影响。     

双谐激光场作用下SBS过程诱导的光学材料破坏

 提出了光学 力学相干耦合的概念，采用非线性光学的耦合波理论，建立了高功率激光辐照下透明光学材料中相干声波的产生、演化的动力学模型。探讨了在泵浦激光场和Stokes激光场共同作用下受激布里渊过程对光学材料破坏的可能性，计算了稳态情况下激光场在材料内部激发出的应力幅度，结合弹性力学，建立了透明光学材料的相干破坏阈值理论，研究了破坏阈值与Stokes光强的关系，发现在稳态下破坏阈值对Stokes光强并不敏感。分析了在实际情况下一些因素对材料破坏的影响。     

高功率半导体激光对光学元件损伤特性

 为研究880 nm高功率半导体连续激光器对光学元件的损伤特性,选择了K9玻璃、ZnSe晶体和无氧铜进行镀膜加工,形成高反射率和高透过率的光学元件。通过调节到达光学元件表面的平均功率和改变光斑大小来改变光学元件表面的功率密度,并连续照射30 s,最终通过显微镜来观察元件的激光损伤形貌。研究结果表明：镀高反膜的K9玻璃在功率密度达到600 W/cm²时,膜系表面出现烧熔现象,当达到1 000 W/cm²时出现炸裂现象,而无氧铜基底镀金反射镜在上述功率密度下未发现损伤;而镀增透膜的ZnSe晶体在激光功率密度高达1 000 W/cm²时,通过显微镜观察没有发现明显的损伤,热像仪显示基底温升为5 ℃。     

驱动激光对砷化镓阴极材料的损伤阈值

砷化镓作为优秀的光电发射材料,被广泛应用于制备阴极材料。砷化镓通常用到的驱动激光是532 nm连续波激光,在相同平均功率的情况下比纳秒脉冲激光的峰值功率低很多,因此在有某些超大电荷量的需求时,就不能避免使用高峰值功率激光照射。所以在砷化镓阴极的使用过程中,需要对其损伤阈值进行测量。基于上述背景,首先通过数值计算得到砷化镓材料的激光损伤阈值,再通过软件模拟加以验证,最后结合实验分析比较其差异。其中数值计算结果为17.811 MW/cm²,模拟结果为19 MW/cm²,而实验结果为13.5 MW/cm²。经过合理的分析,认为砷化镓在作为光阴极材料时的损伤阈值会进一步降低。     

表面层对1 064 nm高反射镜损伤阈值影响

采用电子束蒸发的方法制备了３种具有不同表面层材料及结构的中心波长为1 064 nm的零度高反镜,３种膜系表面层分别为1/4波长光学厚度的HfO2,1/2波长光学厚度的SiO2,以及1/4波长光学厚度的SiO2。光谱测试表明：三者在1 064 nm处均有较高的反射率（高于99.8%）,利用热透镜的方法测量得到３个膜系辐照激光正入射情况下,薄膜对光的吸收比例分别为3.0×10-6,5.0×10-6和6.5×10-6,其损伤阈值分别为32.5,45.2和28.4 J/cm2。并在膜层内部电场分布和膜层材料物理特性的基础上分析了３种不同表面层膜系吸收和损伤阈值差别的原因。     

He-Ne散射光检测光学薄膜激光损伤阈值

准确测定光学薄膜的激光损伤阈值可以衡量光学薄膜的抗激光损伤能力,测定损伤阈值的关键是准确地判定损伤的发生与否。建立了He-Ne散射光检测光学薄膜激光损伤阈值系统。通过测量同一样品点的He-Ne散射光能量变化来判断薄膜表面发生的损伤,并对制备的类金刚石薄膜与HfO₂/SiO₂反射膜进行了阈值测试。与等离子体闪光法的阈值测试结果进行比较,具有较好的一致性。分析表明：He-Ne散射光测试系统能有效地判断出激光诱导损伤,易于实现在线检测。     

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     

纳秒强激光诱导K9玻璃表面损伤实验

使用脉宽约10 ns的Nd:YAG激光器,研究低加工缺陷条件下K9光学玻璃在单激光脉冲作用下的损伤形貌。利用软边光阑加长程衍射的方法实现光斑整形,利用微分干涉光学显微镜和扫描电镜对样品前后表面的损伤形貌进行观察和成像,对比研究了K9光学玻璃前后表面的损伤形貌,分析了损伤机制。研究结果显示：在红外纳秒激光辐照下,加工缺陷是K9光学玻璃产生初始损伤的主要诱因;前表面的损伤主要表现为微坑及高温等离子体产生的冲蚀变色和表面微裂纹;后表面出现了均匀的亚波长周期性光栅结构,这种周期性结构是后表面损伤增长的主要诱因。     

大口径衍射光栅10 ps激光损伤阈值测量（英）

在采用啁啾脉冲放大技术的高功率短脉冲激光装置中,终端衍射光栅的损伤阈值是限制装置输出能力的瓶颈之一。提出了测量大口径光栅损伤阈值的方法。该方法通过在线监测采集大口径光斑的同发近场光强分布情况和相应的光栅损伤图像,并经过一系列后期图像数据处理,建立起能量与损伤点的对应关系,经过一个测试光斑便可获得所有通量下的光栅损伤特性。该测量方法对光斑均匀性没有硬性要求,为损伤测量装置中难以解决的光斑均匀性问题提出了新的应对思路和方法。     

大口径衍射光栅10 ps激光损伤阈值测量（英）

在采用啁啾脉冲放大技术的高功率短脉冲激光装置中,终端衍射光栅的损伤阈值是限制装置输出能力的瓶颈之一。提出了测量大口径光栅损伤阈值的方法。该方法通过在线监测采集大口径光斑的同发近场光强分布情况和相应的光栅损伤图像,并经过一系列后期图像数据处理,建立起能量与损伤点的对应关系,经过一个测试光斑便可获得所有通量下的光栅损伤特性。该测量方法对光斑均匀性没有硬性要求,为损伤测量装置中难以解决的光斑均匀性问题提出了新的应对思路和方法。     

纳秒强激光诱导K9玻璃表面损伤实验

 使用脉宽约10 ns的Nd:YAG激光器,研究低加工缺陷条件下K9光学玻璃在单激光脉冲作用下的损伤形貌。利用软边光阑加长程衍射的方法实现光斑整形,利用微分干涉光学显微镜和扫描电镜对样品前后表面的损伤形貌进行观察和成像,对比研究了K9光学玻璃前后表面的损伤形貌,分析了损伤机制。研究结果显示：在红外纳秒激光辐照下,加工缺陷是K9光学玻璃产生初始损伤的主要诱因;前表面的损伤主要表现为微坑及高温等离子体产生的冲蚀变色和表面微裂纹;后表面出现了均匀的亚波长周期性光栅结构,这种周期性结构是后表面损伤增长的主要诱因。     

膜系结构对激光损伤阈值的影响

本文以TiO_2/SiO_2及ZrO_2/SiO_2膜系为例,研究了A(HL)~mHG、A[(2p+1)HL]~m(2p+1)HG以及A[H(2q+1)L]~mHG等不同膜系结构对激光损伤阈值的影响.同时结合光学损耗测量及保护膜厚度效应研究,对光学薄膜的激光损伤机理作了初步探讨.     

切向气流和激光作用下碳纤维/环氧材料的损伤特性

无气流和切向气流马赫数分别为0.50,0.85条件下,开展了碳纤维/环氧材料激光辐照损伤特性研究实验,对碳纤维、环氧树脂和复合材料热失重曲线、温度历史曲线以及实验后复合材料损伤形进行分析,结果表明：由于切向气流阻止材料燃烧且对材料表面起冷却作用,无气流条件下材料的热损伤区域远大于激光辐照区域,与切向气流条件相比,材料后表面温升时间长、温升幅值高;在切向气流环境下,由于气流作用使得材料的损伤包括烧蚀损伤和断裂损伤;从损伤形貌和后表面温度历史、温升速率比较来看,在切向气流马赫数为0.50~0.85的速度范围内,碳纤维/环氧材料在切向气流和连续激光（102 W/cm2量级）联合作用下的损伤差异不明显。