熔石英后表面坑点型划痕对光场调制的近场模拟

建立了坑点型划痕的旋转抛物面模型, 用三维时域有限差分方法研究了熔石英后表面坑点型划痕随深度、 宽度、 间距以及酸蚀量变化对波长λ =355 nm入射激光的调制.研究表明, 这类划痕调制最强区位于相邻两坑点的连接区, 且越靠近表面调制越强.当其宽深比为2.0---3.5、 坑点间距约为坑点宽度的1/2时, 可获得最大光场调制, 最大光强增强因子(LIEF)为11.53; 当坑点间距大于坑点宽度时, 其调制大为减弱, 相当于单坑的场调制.对宽为60δ (δ =λ/12), 深和间距均为30δ的坑点型划痕进行刻蚀模拟, 刻蚀过程中最大LIEF为11.0, 当间距小于300 nm时, 相邻坑点由于衍射形成场贯通.     

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。     

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.     

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.     

光学元件的表面划痕及其对入射激光的调制作用

 对光学元件表面划痕进行了细致的观察,并将它们分为单划痕、双划痕和多划痕三类,采用时域有限差分方法,以加工过程中常见的直径为二分之一波长的半圆形划痕为基本研究对象,数值模拟了位于光学元件前后表面的多条划痕附近的空间光强分布,总结了在不同划痕条数下光强最大值随着划痕间距变化的曲线图。结果表明：位于光学元件后表面的划痕比位于前表面时更加容易引起光学损伤;在多条划痕情况下,空间光强最大值随着划痕间距的增大呈周期性变化,并随着划痕间距的不断增大而趋于一稳定数值。     

熔石英亚表面三维Hertz锥形划痕附近光强分布的数值模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的调制是导致光学材料损伤的主要因素.本文建立了熔石英后表面上三维Hertz锥形划痕模型,采用三维时域有限差分方法对划痕周围的电场强度进行了计算模拟,并分别讨论了划痕的深度、半径以及倾斜角度对入射光场调制作用的影响.结果表明：Hertz锥形划痕中心区域的电场增强效果最明显,最容易被辐照损伤;划痕的深度从λ变化到9.5λ的过程中,熔石英内的最大电场强度逐渐增大;半径小于15λ的Hertz锥形划痕较容易引起熔石英的损伤,当半径大于175λ时,熔石英内的最大电场强度都维持在2.5 V/m,不再受半径大小影响;当入射激光在划痕的内侧界面和熔石英后表面之间发生内全反射时,光场增强效果愈加明显.     

熔石英亚表面三维Hertz锥形划痕附近光强分布的数值模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的调制是导致光学材料损伤的主要因素.本文建立了熔石英后表面上三维Hertz锥形划痕模型,采用三维时域有限差分方法对划痕周围的电场强度进行了计算模拟,并分别讨论了划痕的深度、半径以及倾斜角度对入射光场调制作用的影响.结果表明：Hertz锥形划痕中心区域的电场增强效果最明显,最容易被辐照损伤;划痕的深度从λ变化到9.5λ的过程中,熔石英内的最大电场强度逐渐增大;半径小于15λ的Hertz锥形划痕较容易引起熔石英的损伤,当半径大于175λ时,熔石英内的最大电场强度都维持在2.5 V/m,不再受半径大小影响;当入射激光在划痕的内侧界面和熔石英后表面之间发生内全反射时,光场增强效果愈加明显. 关键词： 三维时域有限差分 Hertz锥形划痕 电场分布 数值模拟     

熔石英亚表面杂质颗粒附近光场调制的三维模拟

熔石英亚表面缺陷是光学材料低损伤阈值的主要因素之一.本文建立了熔石英亚表面三维球形杂质颗粒模型,采用三维时域有限差分方法对杂质附近的光场进行了数值模拟,分析了杂质的介电常数与尺寸对光强增强因子的影响,结果显示:介电常数小于熔石英的杂质,其光强增强因子不随尺寸、介电常数的改变而改变,均保持为4左右;当介电常数为6.0时,半径为1.5λ,2λ及2.5λ的杂质,相应的光强增强因子分别为50.1588,73.3904及102.9953,即增强因子随杂质尺寸的增大而增大;恰 关键词： 杂质颗粒 三维时域有限差分 数值计算 光强增强因子     

熔石英表面划痕附近电磁场分布模拟分析

亚表面缺陷是造成固体激光器光学器件损伤阈值过低的重要原因,而表面划痕是缺陷中重要的一种。使用时域有限差分方法（FDTD）模拟了熔石英表面圆柱形、三角形划痕对激光电磁场的调制作用,绘出了2维电磁场强度分布图,计算出划痕尺寸不同时电磁场的最大强度。数值计算结果表明,尺寸为二倍波长的划痕可以获得最大的电磁场强度,此时容易导致自聚焦;亚波长级和足够大尺寸的划痕作用基本可以忽略。一定尺寸的划痕,深度越大,最大场强也越大,但当划痕过深时最大场强反而会降低。     

Rear-surface light intensification caused by a Hertzian-conical crack in 355-nm silica optics

Theoretical studies show that a Hertzian-conical crack can be considered to be composed of double cone faces for simplicity. In the present study, the three-dimensional finite-difference time-domain method is employed to quantify the electric-field distribution within the subsurface in the presence of such a defect under normal incidence irradiation. Both impurities (inside the crack) and the chemical etching have been investigated. The results show that the maximum electric field amplitude |E| max is 9.57374 V/m when the relative dielectric constant of transparent impurity equals 8.5. And the near-field modulation will be improved if the crack is filled with the remainder polishing powders or water vapor/drops. Meanwhile, the laser-induced initial damage moves to the glass-air surface. In the etched section, the magnitude of intensification is strongly dependent on the inclination angle θ. There will be a highest modulation when θ is around π/6, and the maximum value of |E| max is 18.57314 V/m. When θ ranges from π/8 to π/4, the light intensity enhancement factor can easily be larger than 100, and the modulation follows a decreasing trend. On the other hand, the modulation curves become smooth when θ > π/4 or θ < π/8.     

Rear-surface light intensification caused by Hertzian-conical crack in 355-nm silica optics

Theoretical studies show that the Hertzian-conical crack can be considered to be composed of double cone faces for simplification. In the present study, the three-dimensional finite-difference time-domain method is employed to quantify the electric-field distribution within the subsurface in the presence of such a defect under the normal incidence irradiation. Both impurities (inside the crack) and the chemical etching have been investigated. The results show that the maximum electric field amplitude |E| _max is 9.57374 V/m when the relative dielectric constant of transparent impurity equals 8.5. And the near-field modulation will be improved if the crack filled with remainder polishing powders or water vapor/drops. Meanwhile, the laser-induced initial damage is moving to the glass-air surface. In the etched section, the magnitude of intensification is strongly dependent on the inclination angle θ. There will be a highest modulation when θ is around π /6, and the maximum value of |E| _max is 18.57314 V/m. When θ ranges from π /8 to π /4, the light intensity enhancement factor can easily be larger than 100, and the modulation follows a decreasing trend. On the other hand, the modulation curves become smooth when θ > π /4 or θ < π /8.     

MgF2晶体的激光损伤与加固研究

报道了ＭｇＦ２晶体１．０６μｍ激光损伤阈值和损伤形貌。研究了用ＣＯ２、ＸｅＣｌ和Ｃｕ蒸气三种不同的激光对ＭｇＦ２进行激光预辐照加固和酸腐蚀加固。结果表明，Ｃｕ蒸气激光加固效果最佳，蕨是酸腐蚀和ＸｅＣｌ激光预辐照，并对加固机理进行了分析。     

极小孔半导体激光器近场区光场分布研究

利用时域有限差分法(FDTD)计算和分析了极小孔半导体激光器输出光端面附近的光场分布,指出小孔激光器近场区域光场分布的特点,讨论了小孔大小和金属厚度对光场分布和光源分辨率的影响,得到设计和制备极小孔半导体激光器的优化方法.     

基于四能级原子系统模型增益媒质激光原理研究

作为超材料研究中的重点,增益媒质因其放大特性而表现出良好的应用前景．本文基于四能级原子结构系统模型,引入一种全新的抽运机理：高斯抽运．用时域有限差分方法对增益媒质激光产生原理进行模拟计算．数值模拟结果表明,该模型和新抽运机理的频谱特性、阈值特性以及动态演化过程和理论分析一致．研究结果可为计算更复杂超材料系统提供参考．     

一维光子晶体缺陷模激光器的放大特性

光子晶体中引入缺陷后将形成缺陷模,这些缺陷模在增益介质中将被放大形成激光。基于麦克斯韦方程和速率方程相结合的模型,用时域有限差分法(FDTD)计算和分析了一维单缺陷光子晶体激光器中缺陷模的空间分布和频谱特性,以及这些缺陷模的放大特性,主要研究了缺陷层的厚度、晶体层数对缺陷模放大特性的影响。模拟结果显示,类似于传统激光腔的腔模,这些缺陷模能够被放大,形成激光。调整缺陷层的厚度、晶体层数等结构参量,将改变缺陷模的谐振,激射频率以及空间分布,这将直接影响激射阈值和饱和特性。增加晶体的层数,激光器的阈值将降低,饱和值将增加,但晶体层数增加到一定限度时,这种增减趋势变弱。模拟结果证明了有效层数的存在。     

Incident laser modulation of a repaired damage site with a rim in fused silica rear subsurface

Local CO2 laser treatment has proved to be an effective method to prevent the 351-nm laser-induced damage sites in a fused silica surface from exponentially growing, which is responsible for limiting the lifetime of optics in high fluence laser systems. However, the CO2 laser induced ablation crater is often surrounded by a raised rim at the edge, which can also result in the intensification of transmitted ultraviolet light that may damage the downstream optics. In this work, the three-dimensional finite-difference time-domain method is developed to simulate the distribution of electrical field intensity in the vicinity of the CO2 laser mitigated damage site located in the exit subsurface of fused silica. The simulated results show that the repaired damage sites with raised rims cause more notable modulation to the incident laser than those without rims. Specifically, we present a theoretical model of using dimpled patterning to control the rim structure around the edge of repaired damage sites to avoid damage to downstream optics. The calculated results accord well with previous experimental results and the underlying physical mechanism is analysed in detail.