HF酸刻蚀提升熔石英亚表面划痕抗损伤性能的机理

用HF酸刻蚀熔石英元件,研究刻蚀对元件后表面划痕的形貌结构及损伤性能的影响,探索损伤阈值提升的原因.时域有限差分算法理论计算结果表明:对于含有50 nm直径氧化锆颗粒的划痕,对入射光调制引发场增强的最大值是入射光强的6.1倍,且最强点位于划痕内部氧化锆颗粒附近,而结构相同但不含杂质的划痕引发的最大场增强为入射光强的3.6倍,最强区位于划痕外围;HF酸刻蚀能够有效去除划痕中的杂质,改变划痕结构,增加其宽深比值,经刻蚀的划痕对入射光调制引发场增强降低到入射光强的2.2倍.实验结果表明,经过深度刻蚀的划痕初始损伤阈值较刻蚀之前提高一倍多;光热弱吸收测试仪测试刻蚀后划痕对1 064 nm激光的吸收最大值仅为230 ppm.HF酸刻蚀同时可以提升元件整体损伤阈值,由于元件上无缺陷区域损伤阈值随刻蚀的深入先增加后降低,因此HF酸刻蚀应进行到元件损伤阈值提升到最大值为止.     

HF酸刻蚀提升熔石英亚表面划痕抗损伤性能的机理

用HF酸刻蚀熔石英元件,研究刻蚀对元件后表面划痕的形貌结构及损伤性能的影响,探索损伤阈值提升的原因.时域有限差分算法理论计算结果表明:对于含有50nm直径氧化锆颗粒的划痕,对入射光调制引发场增强的最大值是入射光强的6.1倍,且最强点位于划痕内部氧化锆颗粒附近,而结构相同但不含杂质的划痕引发的最大场增强为入射光强的3.6倍,最强区位于划痕外围;HF酸刻蚀能够有效去除划痕中的杂质,改变划痕结构,增加其宽深比值,经刻蚀的划痕对入射光调制引发场增强降低到入射光强的2.2倍.实验结果表明,经过深度刻蚀的划痕初始损伤阈值较刻蚀之前提高一倍多;光热弱吸收测试仪测试刻蚀后划痕对1 064nm激光的吸收最大值仅为230ppm.HF酸刻蚀同时可以提升元件整体损伤阈值,由于元件上无缺陷区域损伤阈值随刻蚀的深入先增加后降低,因此HF酸刻蚀应进行到元件损伤阈值提升到最大值为止.     

形状与位置对断点划痕场分布的影响研究

用3维时域有限差分方法分别研究了在355 nm入射激光作用下, 熔石英后表面具有不同形状 和位置的断点划痕对场分布的影响.研究表明,对于椭圆状的坑点, 当共线的轴长逐渐 增大时, 电场幅值与强点数目先增大后减小, 获得最大光强增强因子的两轴 比是1.1-1.2, 此时坑点呈近圆形. 当平行的轴长逐步增大时,电场幅值先逐渐增大, 当两轴比为0.53时趋于平缓, 而强点总数则呈"J"形曲线不断增长. 当坑点尺寸相同 但排放位置不同时, 相邻坑点的相对面积愈大, 调制愈强.     

横向划痕对光场调制的近场模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的近场调制是导致光学元件低阈值损伤的主要因素之一. 用三维时域有限差分方法研究了连续横向划痕的近场分布, 对比了尖锐截面与光滑截面场调制的差异, 着重探讨了光场调制与划痕宽深比R的关系. 研究表明: 酸蚀后的光滑截面有助于减弱近场调制, 这类划痕的R>10.0时调制较弱且相互接近, R<5.0时调制显著增强. 当R取1---3时, 亚表面的调制达最大值, 最大电场幅值为入射波幅值的4.3倍. 当R取1.0---3.5时, 缺陷附近有80%以上取样点的最大电场幅值超过入射波幅值的2倍. 随着深度的增大, 强场区具有明显的"趋肤效应": 位于划痕正下方的强场区首先往左右两侧移动, 然后移向抛物口界面以及水平界面, 同时衍生出的多条增强线诱导整个亚表面层的光场增强.     

裂纹或气泡对熔石英损伤修复坑场调制的近场模拟

建立了含有裂纹或气泡的高斯型修复坑的3维模型, 用3维时域有限差分方法研究了熔石英后表面该类缺陷对355 nm入射激光的近场调制. 研究表明, 裂纹的调制明显大于气泡或者高斯坑本身, 因此为了抑制修复元件的初始损伤, 应尽量避免任何未修复的裂纹存在, 尤其是与入射光呈夹角约25°的裂纹, 同时应避免尺寸大于5 λ 的气泡存在. 当裂纹或气泡位于近表面层3 λ 以内且靠近修复坑环边缘时, 对场的调制最明显. 随着侧移的增加, 近表面区缺陷诱导场叠加, 强点总数涨落较大且易形成极大峰值, 特别是含有裂纹的情形; 远表面区强点总数逐渐增大并趋于稳定. 随着嵌深的增加, 强点的数目大体呈减弱趋势, 当嵌深大于3 λ 时, 逐渐趋于平缓振荡. 如果裂纹或气泡位于坑点正下方几个波长内, 激光辐照下其效果相当于延长了高斯坑的深度.     

短脉冲激光刻蚀加工铜材料的机制

 利用数值模拟方法,研究波长1 064 nm、脉冲宽度介于1~20 ps的激光在刻蚀铜靶时,单次脉冲作用下非平衡场刻蚀和热平衡刻蚀两种机制的竞争过程。结果表明：随着脉冲宽度的增加,刻蚀过程由非平衡电荷分离场刻蚀占主导地位转变为热平衡刻蚀起主要作用,且脉冲宽度和激光峰值功率密度增大到一定程度后,各种电子加速机制在不同时刻开始突显,电子能量分布出现多峰结构。在能量密度为15 J/cm2的激光作用下,1和5 ps脉宽对应的非平衡场刻蚀深度分别为110和101 nm,10和20 ps脉宽分别为25和18 nm。     

短脉冲激光刻蚀加工铜材料的机制

利用数值模拟方法,研究波长1 064 nm、脉冲宽度介于1~20 ps的激光在刻蚀铜靶时,单次脉冲作用下非平衡场刻蚀和热平衡刻蚀两种机制的竞争过程。结果表明：随着脉冲宽度的增加,刻蚀过程由非平衡电荷分离场刻蚀占主导地位转变为热平衡刻蚀起主要作用,且脉冲宽度和激光峰值功率密度增大到一定程度后,各种电子加速机制在不同时刻开始突显,电子能量分布出现多峰结构。在能量密度为15 J/cm2的激光作用下,1和5 ps脉宽对应的非平衡场刻蚀深度分别为110和101 nm,10和20 ps脉宽分别为25和18 nm。     

激光诱导HF酸刻蚀后熔石英后表面划痕的损伤行为研究

用光学显微镜和原子力显微镜记录HF酸刻蚀后熔石英元件后表面划痕的形貌结构,并利用单脉冲激光对其进行辐照测试,以研究不同结构参数划痕的激光损伤特性.实验结果表明,由于HF酸的腐蚀钝化作用,划痕结构横向截面呈余弦形分布;其初始损伤阈值并非由单一的划痕宽度或深度参数决定,而是与其横向剖面结构的宽深比值密切相关;通过实验得到了二者之间的关系曲线,并采用时域有限差分算法对不同结构参数划痕附近光场分布进行理论模拟,理论场计算得到的增强结果与实验值符合得很好.     

数值模拟探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻

采用有损耗介质和色散介质的二维时域有限差分方法,数值模拟了以光波长514.5nm的p偏振基模高斯光束为入射光源,激发Kretschmann型表面等离子体共振,并通过探针的局域场增强效应实现纳米光刻的新方法——探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻.分别就探针与记录层的间距以及探针针尖大小,模拟分析了不同情况下探针的局域场增强效应和记录层表面的相对电场强度振幅分布.结果表明,探针工作在接触模式时,探针的局域场增强效应最明显,记录层表面的相对电场强度振幅的对比度最大;当探针针尖距记录层5nm时,针尖下方记录层表面的相对电场强度振幅大于光刻临界值的分布宽度与针尖尺寸相近. 关键词： 纳米光刻 表面等离子体共振 时域有限差分方法     

划痕缺陷对熔融石英光诱导损伤特性的影响分析

激光辐照光学材料时,经后表面反射的部分光束与入射光束干涉,在材料内部形成驻波场.若材料表面存在缺陷,缺陷会对入射光进行调制,导致材料内驻波场分布不再均匀,局部区域光强增大.为分析光学材料的场损伤特性,建立了一个划痕缺陷影响下的光学材料损伤分析模型.从电子增值理论出发,分析了划痕数量及其所在位置对材料驻波场和损伤特性的影响,并针对熔融石英材料进行了具体计算.结果表明,在入射光场不变的前提下,随着划痕数量增加,对光场的调制作用增强,材料内部驻波场的最大场强增大,熔融石英损伤阈值降低.相对亚表面和后表面划痕缺陷而言,材料上表面的缺陷对光场具有最大的调制作用,因此更容易导致材料损伤.     

赫兹型微裂纹光场调制增强作用的系统研究

通过改变裂纹的倾角、宽度和深度参数,模拟了赫兹型裂纹在不同参数下对光场调制能力的不同. 模拟发现,倾斜角度为20.9°到45°之间的裂纹危害最大,倾角大于45°小于48.2°的裂纹危害也十分大,而倾斜角度为45°时的裂纹危害最小. 对于30°倾角的赫兹型裂纹,一定范围内,赫兹型裂纹深度的增加会导致其光场调制增强能力呈二次方关系增加,但宽度的增加不会使其光场调制增强作用增加. 裂纹深度和宽度的增加可以用来近似裂纹的演化过程,所以裂纹的扩展导致了其光场调制能力的增加,进而导致损伤增长速率的加快,这和e指数损伤增长规律相符. 关键词： 损伤增长 亚表面缺陷 赫兹型裂纹 光场增强     

Study on incident laser modulation using surface micro-defects on KH₂PO₄ crystal

KH2PO4 crystal is a crucial optical component of inertial confinement fusion.Modulation of an incident laser by surface micro-defects will induce the growth of surface damage,which largely restricts the enhancement of the laser induced damage threshold.The modulation of an incident laser by using different kinds of surface defects are simulated by employing the three-dimensional finite-difference time-domain method.The results indicate that after the modulation of surface defects,the light intensity distribution inside the crystal is badly distorted,with the light intensity enhanced symmetrically.The relations between modulation properties and defect geometries(e.g.,width,morphology,and depth of defects) are quite different for different defects.The modulation action is most obvious when the width of surface defects reaches 1.064 μm.For defects with smooth morphology,such as spherical pits,the degree of modulation is the smallest and the light intensity distribution seems relatively uniform.The degree of modulation increases rapidly with the increase of the depth of surface defects and becomes stable when the depth reaches a critical value.The critical depth is 1.064 μm for cuboid pits and radial cracks,while for ellipsoidal pits the value depends on both the width and the length of the defects.     

Study of modulation property to incident laser by surface micro-defects on KH2PO4 crystal

KH₂PO₄ crystal is a crucial optical component of inertial confinement fusion. Modulation of an incident laser by surface micro-defects will induce the growth of surface damage, which largely restricts the enhancement of the laser induced damage threshold. The modulation of an incident laser by using different kinds of surface defects are simulated by employing the three-dimensional finite-difference time-domain method. The results indicate that after the modulation of surface defects, the light intensity distribution inside the crystal is badly distorted, with the light intensity enhanced symmetrically. The relations between modulation properties and defect geometries (e.g., width, morphology, and depth of defects) are quite different for different defects. The modulation action is most obvious when the width of surface defects reaches 1.064 μ. For defects with smooth morphology, such as spherical pits, the degree of modulation is the smallest and the light intensity distribution seems relatively uniform. The degree of modulation increases rapidly with the increase of the depth of surface defects and becomes stable when the depth reaches a critical value. The critical depth is 1.064 μ for cuboid pits and radial cracks, while for ellipsoidal pits the value depends on both the width and the length of the defects.     

The electric field modulation by lateral crack coated with HfO2/SiO2 high reflector

High-dielectric constant multilayer coatings are commonly used on optics to increase the laser damage resistance of optics. In this work, the three-dimensional finite-difference time-domain is improved to simulate the electric field intensity distribution in the silica–hafnia multilayer coatings on fused silica subsurface with lateral crack. Results reveal that as the substrate is defect-free, the largest intensification is at the surface layer, especially in the hafnia layer. As the lateral crack appears on the subsurface of fused silica, the intensified sites are mainly located at distorted coatings layers. Dependences of peak LIEF on crack's parameters are detailed investigated. Results show that laser intensification is more sensitive to its width, and the modulation of lateral defect with silica–hafnia multilayer is greater than nodular defect as its width larger than 5λ.     

熔石英和磷酸盐钕玻璃表面三角形微裂纹对入射光的散射分析

采用时域有限差分方法(FDTD)模拟了石英玻璃和掺钕磷酸盐激光玻璃表面三角形微裂纹对入射光调制后的分布。TE模式光波入射,最大调制电场幅值出现在玻璃体内部;TM模式光波入射,最大调制电场幅值则发生在裂纹的缝隙中。两种入射光模式下,后表面的调制电场幅值增大倍数在相同裂纹条件下均比前表面大。TE模式入射时,当入射光在裂纹和玻璃表面相继发生全反射时,得到的调制电场幅值最大;后表面最大调制电场幅值随着裂纹在界面投影长度的增加、开口宽度的变大及裂纹深度的增加而分别增大。     

熔石英亚表面横向划痕调制作用的3维模拟

建立了熔石英后表面3维横向划痕模型,并采用3维时域有限差分方法对熔石英亚表面划痕周围的电场强度进行了数值模拟,分析了划痕宽度、深度、长度以及划痕倾斜角度对入射光场的调制作用,结果表明:随划痕深度和划痕长度的增加,熔石英内的最大电场强度增大,且当划痕长度达到1μm以上时,最大电场强度趋于稳定;划痕结构因子在1~2之间的划痕较容易引起熔石英损伤;而入射激光在划痕界面和后表面之间发生内全反射时,后表面上的光强增强效果更加明显,因此减少角度范围在20.9°~45°之内的划痕能大幅提高熔石英的损伤阈值。     

熔石英亚表面横向划痕调制作用的3维模拟

建立了熔石英后表面3维横向划痕模型,并采用3维时域有限差分方法对熔石英亚表面划痕周围的电场强度进行了数值模拟,分析了划痕宽度、深度、长度以及划痕倾斜角度对入射光场的调制作用,结果表明：随划痕深度和划痕长度的增加,熔石英内的最大电场强度增大,且当划痕长度达到1 μm以上时,最大电场强度趋于稳定;划痕结构因子在1～2之间的划痕较容易引起熔石英损伤;而入射激光在划痕界面和后表面之间发生内全反射时,后表面上的光强增强效果更加明显,因此减少角度范围在20.9°～45°之内的划痕能大幅提高熔石英的损伤阈值。     

基于飞秒激光微加工的介质膜损伤修复研究

针对波长1053 nm, 0°高反介质膜元件, 采用有限时域差分法, 模拟分析了损伤修复点边缘与法线的夹角对膜层内电场强度分布的影响, 该角度越小, 修复点的损伤阈值越高. 通过优化飞秒激光微加工过程中的焦斑尺寸、脉冲能量、扫描步长和扫描次数等参数, 获得了夹角为25°、深度为14 μm的修复点. 该修复点典型的损伤阈值为21 J/cm², 是修复前的2.3倍, 50个修复点的测试结果表明该修复参数具有非常好的可重复性. 修复点的测试结果还验证了修复点边缘与法线的夹角大小与其损伤阈值的关系, 45°的电场强度最大值约为25°的2.5倍, 而45°的损伤阈值约为25°的1/2, 模拟和实验结果一致性较好. 同时, 实验验证了微加工的激光脉宽对修复点损伤阈值的影响, 在只改变脉宽的情况下, 脉宽越长, 损伤阈值越低.     

基于石墨烯的宽带全光空间调制器

提出了单层石墨烯包裹微纳光纤的全光空间调制.石墨烯作为可饱和吸收体包裹在通过二氧化碳激光器加热制备的微纳光纤上,当信号光沿着微纳光纤传输时部分光将以倏逝场的形式沿着微纳光纤表面传递,并与石墨烯产生作用被吸收.同时将波长为808 nm的抽运光从空间垂直入射到石墨烯包裹的微纳光纤处,依据石墨烯的优先吸收特性,通过抽运光控制石墨烯对信号光的吸收,实现了宽带全光空间调制.在1095 nm波长处获得最大调制深度约为6 dB,调制带宽约为50 nm,调制速率约为1.5 kHz.空间全光调制器具有输出信号光“干净”的特点.与传统石墨烯微纳光纤全光调制器相比,输出端不需要对抽运光进行光学滤波而直接获得已调信号.该复合波导全光空间调制器以更为灵活、高效的方式打开了微纳超快信号处理的大门.