纳秒激光辐照下石英基单层石墨烯的损伤特性北大核心CSCD

采用化学气相沉积法在铜箔基底上生长单层石墨烯,利用湿化学方法将单层石墨烯转移到石英玻璃基底,获得石英基单层石墨烯样品。利用相衬显微镜和扫描电子显微镜,实验研究了单层石墨烯样品在紫外纳秒脉冲激光辐照下的损伤阈值和损伤概率,以及不同辐照通量下的典型微观结构。实验结果表明,单层石墨烯样品对550nm波长光的吸收率约为2.38%,与理论值2.3%接近。在波长为355nm、脉宽为5.8ns的条件下测得激光损伤阈值为78mJ/cm2。当辐照通量低于损伤阈值时,石墨烯样品表面有纳米碳球和碳花形成;当辐照通量等于损伤阈值时,石墨烯样品表面产生明显的多孔碳骨架烧蚀痕迹;当辐照通量高于损伤阈值时,则形成了特定的周期性折叠碳结构。     

纳秒激光辐照下石英基单层石墨烯的损伤特性

采用化学气相沉积法在铜箔基底上生长单层石墨烯,利用湿化学方法将单层石墨烯转移到石英玻璃基底,获得石英基单层石墨烯样品。利用相衬显微镜和扫描电子显微镜,实验研究了单层石墨烯样品在紫外纳秒脉冲激光辐照下的损伤阈值和损伤概率,以及不同辐照通量下的典型微观结构。实验结果表明,单层石墨烯样品对550nm波长光的吸收率约为2.38%,与理论值2.3%接近。在波长为355nm、脉宽为5.8ns的条件下测得激光损伤阈值为78mJ/cm2。当辐照通量低于损伤阈值时,石墨烯样品表面有纳米碳球和碳花形成;当辐照通量等于损伤阈值时,石墨烯样品表面产生明显的多孔碳骨架烧蚀痕迹;当辐照通量高于损伤阈值时,则形成了特定的周期性折叠碳结构。     

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。     

溶胶-凝胶ZrO2-TiO2高折射率光学膜层的抗激光损伤性能研究

采用溶胶-凝胶方法制备了ZrO2-TiO2(Ti含量为0-100 mol%)高折射率光学薄膜.借助激光动态光散射技术研究溶胶微结构.采用傅里叶变换红外光谱、原子力显微镜、薄膜光学常数分析仪、漫反射吸收光谱及强激光辐照实验,对膜层的结构、光学性能及抗激光损伤性能进行了系统表征.结果显示,溶胶-凝胶工艺可以在部分牺牲折射率的情况下,使膜层的抗激光损伤性能得到大幅度提升.随Ti含量从0mol%增加至100 mol%,膜层的平均损伤阈值呈下降趋势,当Ti含量从0mol%增加至60mol%时,平均损伤阈值从57.1 J/cm2下降到21.1 J/cm2(辐照激光波长为1053 nm,脉冲宽度为10 ns,"R/1"测试模式),当Ti含量从60mol%增加至100mol%时,平均损伤阈值变化很小.综合溶胶微结构、膜层光学性能和损伤实验结果可以推断,强激光诱导多光子吸收是引起膜层损伤的主要原因.不同配比的复合膜之间光学带隙的显著差异导致相同辐照激光情况下多光子吸收的概率发生变化,从而导致损伤阈值的规律性变化.     

采用放大的自发辐射光源测试光学薄膜的损伤阈值

提出了一种精确评估光学薄膜损伤阈值的方法。放大的自发辐射(ASE)光源由于时间相干性和空间相干性较差,所以在近场区域光场强度分布均匀,聚焦后远场也没有被非均匀调制。采用ASE光束作为光学元件损伤阈值测试的辐照光源,可以提高辐照光源的均匀度,实现对光学薄膜损伤阈值的精确评估。ASE光源由神光II高功率激光装置的一级钕玻璃棒状放大器输出,脉宽经过光电开关调制后为9ns,能量输出在几毫焦耳到几十焦耳范围内可调节,光谱半峰全宽(FWHM)为1nm。根据标准ISO-11254,实验获得ASE测试TiO2高反膜的损伤阈值为15.1J/cm2,高于激光测试样品的损伤阈值7.4J/cm2(脉宽为9ns时),更准确地评估了样品的损伤阈值。     

LBO晶体上1064 nm,532 nm二倍频增透膜的制备和性能

采用电子束蒸发方法在三硼酸锂(LBO)晶体上制备了1064 nm,532 nm二倍频增透膜.利用Lambda900分光光度计、MTSNanoIndenter纳米力学综合测试系统以及调Q脉冲激光装置对样品的光学性能、附着力和激光损伤阈值进行了分析测试.结果表明,通过多次实验,不断改进薄膜沉积工艺条件,在LBO晶体上获得了综合性能优异的二倍频增透膜.样品在1064 nm,532 nm波长的剩余反射率分别为0.07%和0.16%,薄膜粘附失效的临界附着力和激光损伤阈值分别为137.4 mN和15.14 J/cm2,薄膜激光损伤发生在Al2O3膜层.     

多波长拉曼激光对CCD损伤实验研究

本文开展了多波长纳秒脉冲拉曼激光对行间转移CCD相机的损伤实验。分别研究了496 nm、574 nm、630 nm单波长拉曼激光与混合输出的多波长拉曼激光对CCD的点损伤、线损伤和面损伤情况,测量了不同波长拉曼激光的损伤阈值区间,并根据损伤情况统计拟合,获得了不同波长拉曼激光能量与损伤概率的关系曲线。实验结果表明：混合波长拉曼激光对CCD的损伤阈值低于单波长拉曼激光的损伤阈值,不同波长拉曼激光对于CCD的损伤阈值也存在区别,其中630 nm拉曼激光的损伤阈值低于496 nm激光,574 nm激光的损伤阈值介于496 nm和630 nm拉曼激光之间。在此基础上,通过分析CCD不同损伤情况的显微图像,以及受损伤CCD的电子学特性,对拉曼激光损伤CCD的机理进行了探讨。     

脉冲激光对绝缘体上硅材料的损伤机理研究

绝缘体上硅(SOI)材料的激光损伤特性研究对基于该材料的光学器件在激光环境中的应用具有重要价值。本文使用1064 nm脉冲激光对SOI材料进行了辐照实验,在脉冲宽度分别为190 ps和280μs的条件下,测得的损伤阈值能量密度分别为2.5 J/cm2和19.8 J/cm2,SOI材料表面的激光损伤模式也存在明显差别。根据实验结果,利用ANSYS软件的热分析模块,采用有限元方法数值模拟了激光辐照结束后SOI材料内部的温度场分布,并结合损伤形貌的观测对SOI材料的激光损伤机制进行了讨论。     

溶胶-凝胶ZrO2-TiO2高折射率光学膜层的抗激光损伤性能研究

采用溶胶-凝胶方法制备了ZrO₂-TiO₂(Ti含量为0—100mol%)高折射率光学薄膜. 借助激光动态光散射技术研究溶胶微结构. 采用傅里叶变换红外光谱、原子力显微镜、薄膜光学常数分析仪、漫反射吸收光谱及强激光辐照实验，对膜层的结构、光学性能及抗激光损伤性能进行了系统表征. 结果显示，溶胶-凝胶工艺可以在部分牺牲折射率的情况下，使膜层的抗激光损伤性能得到大幅度提升. 随Ti含量从0mol%增加至100mol%，膜层的平均损伤阈值呈下降趋势，当Ti含量从0mol%增加至60mol%时，平均损伤阈值从57.1J/cm²下降到21.1J/cm²(辐照激光波长为1053nm，脉冲宽度为10ns，“R/1”测试模式)，当Ti含量从60mol%增加至100mol%时，平均损伤阈值变化很小. 综合溶胶微结构、膜层光学性能和损伤实验结果可以推断，强激光诱导多光子吸收是引起膜层损伤的主要原因. 不同配比的复合膜之间光学带隙的显著差异导致相同辐照激光情况下多光子吸收的概率发生变化，从而导致损伤阈值的规律性变化. 关键词： 2-TiO₂薄膜')" href="#">ZrO₂-TiO₂薄膜 溶胶-凝胶 激光诱导损伤 光学带隙     

基于激光近场和图像分割技术的复合波长诱导熔石英损伤实验研究

在复合波长(波长分别为1053、527、351nm)情况下,利用激光近场对熔石英样品进行损伤实验。设计了一种基于激光近场辐照的损伤阈值定义方法,并利用带有灰度抑制的分水岭标记算法对损伤图像进行损伤区域提取,通过对比损伤图像与相应光束近场能量分布,计算出损伤区域与非损伤区域临界处的光能量密度,即为熔石英样品的损伤阈值。实验结果表明,复合波长激光诱导熔石英损伤是3种波长激光共同作用的结果,但351nm激光对损伤起主要作用,初始损伤阈值为8.22J/cm2;在复合波长激光多次辐照样品的情况下,熔石英样品后表面的损伤成指数形式增长,损伤增长系数为0.59。     

用1064nm激光增强HfO2/SiO2薄膜的抗激光损伤能力的实验研究

 用1 064nm激光实验研究了HfO₂/SiO₂薄膜的激光损伤增强效应，实验以薄膜激光损伤阈值70%的激光能量开始，采用N-ON-1方式处理薄膜，激光脉冲的能量增量为5J/cm²。实验结果表明，激光处理薄膜表面能使激光损伤阈值平均提高到3倍左右，并且薄膜的损伤尺度也明显减小。对有缺陷的薄膜，其缺陷经低能量激光后熔和消除，其抗激光损伤能力得到增强，但增强得并不显著，而薄膜本身的激光预处理，可以使其激光损伤阈值大大提高。     

Raman spectroscopic studies of pulsed laser‐induced defect evolution in graphene

Raman spectra were obtained for graphene after irradiating the samples by pulsed laser (λ = 248 nm). Changes in the spectra were observed as the pulse laser energy density (PLED) was varied from 0.1 to 0.25 J/cm². Changes in bilayer graphene were accompanied by the appearance of the D peak and the broadening of the G peak. Changes in multilayer graphene are more profound as the Raman spectra changes from a multilayer to bilayer and subsequently to monolayer graphene in response to a slow increase in the PLED. The threshold PLED was found to be dependent on the number of graphene layers. We also irradiate graphene with very high PLED (much above the threshold), and the Raman spectra were found to be significantly changed. The G‐band became broader, and red shifted, while the intensity of the 2D‐band was drastically reduced and an intense defect‐related D peak appeared at about 1350 cm⁻¹. The laser ablation of graphene, both with low‐ and high‐energy intensity, is consistent with the reported theoretical predictions. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

波长1O64nm脉冲激光高阈值反射膜的研制

研究 Ｈｆ Ｏ２／ Ｓｉ Ｏ２ 高反射膜的制备工艺及其激光诱导损伤阈值的比较测试,分别采用了反应蒸镀 Ｈｆ Ｏ２、反应离子辅助蒸镀 Ｈｆ Ｏ２、反应离子辅助蒸镀金属 Ｈｆ 的源材料形成 Ｈｆ Ｏ２ 薄膜。采用这三种工艺制备了 Ｈｆ Ｏ２ ／ Ｓｉ Ｏ２ 高反射膜,在中心波长 １０６４ｎｍ 处,反射率 Ｒ≥９９．５％ ,其中反应蒸镀 Ｈｆ Ｏ２ ／ Ｓｉ Ｏ２ 高反射膜损伤阈值最高,可达 ６０ Ｊ／ｃｍ ２（１０６４ｎｍ ,５ｎｓ）。     

波长1064nm脉冲激光高阈值反射膜的研制

 研究HfO₂/SiO₂高反射膜的制备工艺及其激光诱导损伤阈值的比较测试,分别采用了反应蒸镀HfO₂、反应离子辅助蒸镀HfO₂、反应离子辅助蒸镀金属Hf的源材料形成HfO₂薄膜。采用这三种工艺制备了HfO₂/SiO₂高反射膜,在中心波长1064nm处,反射率 R≥99.5%,其中反应蒸镀HfO₂/SiO₂高反射膜损伤阈值最高,可达60J/cm²(1064nm,5ns)。     

Selective removal and patterning of a Co/Cu/Co trilayer created by femtosecond laser processing

The selective removal and patterning of a typical pseudo-spin-valve structure, consisting of a Co(20 nm)/ Cu(6 nm)/Co(3 nm) trilayer, by femtosecond laser has been examined in terms of irradiation parameters and layer structure. Ablation thresholds of the individual Co and Cu thin films and the SiO₂/Si substrate have been measured for single-shot irradiation with a 200 femtosecond (fs) laser pulses of a Ti:sapphire laser operating at 775 nm. Ablation of the entire trilayer structure was characterized by a sequential removal of the layers at a threshold level of fluence of 0.28 J/cm². Atomic Force Microscopy, optical microscopy, profilometry and Sputtered Neutral Mass Spectroscopy were employed to characterize the laser-induced single-shot laser selective removal and patterned areas. As a result, two phenomena were found to characterize the laser process: (i) selective removal of the Co and Cu layer due to the change of the laser fluence and (ii) regular pillars’ area of Co/Cu/Co could be achieved in a regular manner with the lowest pillar width size of 1.5 μm. Ablation through the layers was accompanied by the formation of bulges at the edges of the pillars, which was the biggest inconvenience in lowering the pillar size through the femtosecond laser process.     

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。     

飞秒强激光对二氧化钛金红石晶体相变的影响

该文章报道了利用显微激光拉曼光谱仪研究近红外飞秒强激光脉冲诱导二氧化钛金红石单晶所引起的相变.实验辐照时间为60s,当激光辐照平均功率增加时,锐钛矿相的拉曼振动模式强度增强,金红石相的拉曼振动模式强度减弱.通过金红石相和锐钛矿相粉体等拉曼光谱的实验,肯定了随着辐照激光功率的增大,.可以通过拉曼光谱中锐钛矿A1g B1g(515 cm-1)振动模式标志峰和金红石相Eg(445 cm-1)振动标志峰分别对应面积的比判断其相变量.     

Nonlinear and Quantum Optics on the Nature of Sugar Emission Excited by the First Harmonic of a Nd Laser

The physical nature of emissions excited in pressed-sugar samples by the first harmonic of a neodymium laser (1064 nm, 12 ns) is studied. The spectral, kinetic, spatial, and amplitude characteristics of emissions upon single- and multipulse irradiation with energy densities of 0.012–3.2 J/cm² are measured. It is found that excitation of a sample by the first pulse causes two emission types, namely, emission of the second harmonic of a Nd laser (532 nm) and glowing of dense low-temperature plasma formed as a result of a low-temperature optical breakdown on absorbing inhomogeneities. Multipulse excitation leads to annealing of absorbing inhomogeneities and to an increase in the optical breakdown threshold.     

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.     

脉冲激光辐照氮化硅陶瓷损伤阈值的光谱测量

氮化硅陶瓷具有耐高温、耐腐蚀和耐磨损等优异性能, 可应用于金属材料和高分子材料难以胜任的极端工作环境。但具备这些优良特性的同时也给其加工带来了不便,传统的磨削加工方法效率低,设备损耗严重, 激光辅助加工为其提供了一种新途径。将等离子体光谱法和显微成像法相结合,对脉冲激光辐照氮化硅陶瓷的损伤阈值进行了测量,并分析了损伤机理。实验选用热压烧结氮化硅陶瓷为靶材,参考ISO21254国际损伤阈值测试标准搭建试验系统,采用1-on-1法利用Nd3+∶YAG固体脉冲激光分别在纳秒和微秒脉宽下辐照氮化硅陶瓷,两种脉宽分别选取10个能量密度梯度进行激光辐照,每个能量密度辐照10个点。利用光纤光谱仪采集光谱信息,利用金相显微镜获取显微图像信息,将光谱结果与显微成像结果对比分析, 发现纳秒脉宽下材料一旦损伤光谱上就会出现等离子体峰,通过分析光谱中等离子体峰,元素指认是否含有材料中特征元素即可判断损伤,为了区别空气电离击穿同时测量了空气等离子体光谱对比分析剔除干扰。微秒脉宽下显微图像观察到刚开始损伤时,光谱中只出现较强热辐射谱线并未出现等离子体谱线,进一步增加激光能量密度,光谱中会出现少量等离子体峰,因此不能直接以等离子体峰判断材料损伤阈值。利用金相显微镜观察损伤形貌,纳秒脉宽下在损伤区域内部观察到明显的烧蚀冲击状损伤,光谱呈现出大量等离子体谱线,说明纳秒激光辐照氮化硅损伤机制主要为等离子体冲击波引起的力学损伤效应。微秒脉宽在辐照区域边缘发现热烧蚀痕迹,损伤区内观察到大量熔融物,出现明显热辐射光谱,说明微秒激光辐照氮化硅损伤机制主要是由于长脉宽热积累引起的热损伤效应,随着能量密度增加热辐射谱上叠加有等离子体峰,等离子体峰值强度与损伤程度一致。利用零几率损伤阈值法对两种方法测得结果进行了拟合,分析发现等离子体光谱法更适用于纳秒脉宽下损伤阈值测量,得到结果为0.256 J·cm-2;显微成像法适用于微秒脉宽下损伤阈值测量,得到结果为6.84 J·cm-2。