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。     

截断的有振幅调制和位相畸变光束的等效曲率半径

高功率激光通常具有振幅调制和相位畸变. 采用统计光学方法推导了截断的有振幅调制和位相畸变光束在大气湍流中传输 的等效曲率半径R的解析公式.研究表明:随着位相畸变参量、振幅调制参量和光 束截断参量的增大,光束在自由空间中的 R增大,但R受湍流的影响也会增大; 并且高斯光束在自由空间中的R最大, 但其受湍流影响也最大. 因此,在大气湍流中传输到足够远时, 截断的有振幅调制和位相畸变光束的R就要比高斯光束的大.特别地, 相对等效曲率半径R_r随传输距离为非单调变化, 存在一个最小值, 即在该位置处R受湍流的影响最大. 此外, 达到 R_r最小值所需传输距离随光束位相畸变和振幅调制的加剧而增大.     

k光子Jaynes-Cummings模型的亚Poisson光子统计特性研究

本文利用量子电动力学理论,首次对 k 光子 Jaynes-Cummings 模型中单模激光场的稳态亚 Poisson 光子统计性质进行了系统研究.结果表明:在一般情况下,激光上能级相对泵浦参量 x_a 具有一个确定的阈值 x_at;当 x_a>x_at时,光场呈现亚 Poisson 光子统计;当 x_a>>x_at时,光场呈现出深度且完全恒定的亚 Poisson 光子统计.在特殊情况下,阈值 x_at-0,这时在激光腔内将直接诱发亚 Poisson 光子统计.随着 k(k≥2)值增加,阈值 x_at降低,光场亚 Poisson 光子统计程度增强.     

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.     

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。     

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.     

增加光子位移福克态的量子统计性质

引入了增加光子位移福克态 a^+m| α,n〉,其中 | α,n〉是位移福克态,m是整数.用数值计算的方法研究了这种态的量子统计性质.结果表明,在位移福克态上增加光子后可以使原有的光场呈现较强的压缩,并能使光场的亚泊松特性得到明显增强.     

The electric field modulation by three-dimensional crack on fused silica subsurface

The main factor of laser-induced damage is the modulation to electromagnetic field of laser by the crack on the subsurface. In this paper, a three-dimensional crack model on the exit surface is presented. Three-dimensional finite-difference time-domain (FDTD) method is employed to simulate the electric field intensity distribution in the vicinity of crack on fused silica subsurface. The roles of the crack width, depth, length and the gradient angle in the modulation to the incident light field are analyzed in detail. Results show that the crack size plays an important role in the electric modulation. With the increasing depth and width, the peak value of maximal electric field intensity appears in fused silica. However, the maximal electric field intensity tends to be a constant when the crack length reaches 1 μm. Besides, the enhancement of light intensity becomes obvious when total internal reflection occurs in fused silica. Our calculated results provide an advisable theoretical criterion to the corresponding experiment.     

熔石英亚表面缺陷附近光强分布的数值模拟

 熔石英亚表面缺陷对光场的调制是导致激光辐照场破坏的主要因素。采用有限元方法对熔石英亚表面缺陷（平面和锥形划痕）周围的光强分布进行了数值模拟。结果表明：划痕形状、几何尺寸、方位角、光的入射角等是影响划痕周围光强分布的主要因素;前表面划痕对光强的增强效果比后表面弱;在理想形状的划痕截面和表面同时发生内全反射时,平面划痕周围的光强增强效果明显。锥形划痕周围的光强分布为正确解释交叉划痕的夹角平分线附近的损伤提供了理论依据。     

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.     

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.     

Numerical simulation of the modulation to incident laser by the repaired damage site in a fused silica subsurface

One of the main factors of laser induced damage is the modulation to incident laser which is caused by the defect in the subsurface of the fused silica.In this work,the repaired damage site irradiated by CO 2 laser is simplified to a Gaussian rotation according to the corresponding experimental results.Then,the three-dimensional finite-difference time-domain method is employed to simulate the electric field intensity distribution in the vicinity of this kind of defect in fused silica front subsurface.The simulated results show that the modulation is notable,the E max is about 2.6 times the irradiated electric field intensity in the fused silica with the damage site (the width is 1.5 μm and depth is 2.3 μm) though the damage site is repaired by CO 2 laser.The phenomenon and the theoretical result of the annular laser enhancement existed on the rear surface are first verified effectively,which agrees well with the corresponding experimental results.The relations between the maximal electric field intensity in fused silica with defect depth and width are given respectively.Meanwhile,the corresponding physical mechanism is analysed theoretically in detail.     

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.     

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.