多脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀效应

 开展了脉宽为40 fs的不同数量激光脉冲对锗材料的烧蚀效应实验,采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜等方法对不同数量的飞秒激光脉冲作用下锗材料表面烧蚀区进行了检测,并对作用后材料烧蚀形貌演化规律进行了分析,初步分析了锗材料烧蚀区周围形成的不同环区的形貌特征及成因,对各环区烧蚀形貌特征随激光作用脉冲数的增加而产生的形貌演化过程进行了观测。并给出单脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀阈值为1.2 J·cm^-2,采用激光共聚焦显微镜测得该阈值条件下单个飞秒激光脉冲对锗材料的烧蚀深度约为150 nm。     

飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究

对中心波长为800 nm,脉宽为100 fs的激光脉冲烧蚀空气中硅(111)产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究. 结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于50 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成,此后连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位;在羽体膨胀过程中离子谱线的存在时间短于原子谱线的存在时间. 由时间分辨发射光谱发现在羽体膨胀过程中等离子体辐射波长存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减. 最后给出等离子体发射光谱谱线强度的时空演化规律. 关键词： 飞秒激光 脉冲激光烧蚀 等离子体 发射光谱     

多脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀效应

开展了脉宽为40 fs的不同数量激光脉冲对锗材料的烧蚀效应实验,采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜等方法对不同数量的飞秒激光脉冲作用下锗材料表面烧蚀区进行了检测,并对作用后材料烧蚀形貌演化规律进行了分析,初步分析了锗材料烧蚀区周围形成的不同环区的形貌特征及成因,对各环区烧蚀形貌特征随激光作用脉冲数的增加而产生的形貌演化过程进行了观测。并给出单脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀阈值为1.2 J·cm-2,采用激光共聚焦显微镜测得该阈值条件下单个飞秒激光脉冲对锗材料的烧蚀深度约为150 nm。     

单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究

飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体。可以利用飞秒激光对含能材料或含能元器件进行精密加工。深入认识飞秒激光烧蚀炸药过程中,炸药内部的热效应是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的流固耦合计算模型,考虑了在高温高压等离子体和炸药自热反应的共同作用下,炸药内部的热效应。对飞秒激光烧蚀TNT炸药过程进行了流体力学数值模拟。计算结果表明：TNT炸药中未烧蚀区域产生了热效应,峰值温度高于TNT炸药的点火温度,但由于炸药内热效应区域极小,高温持续时间极短,因此炸药内温度迅速下降,没有发生点火现象。     

PMP泡沫的飞秒激光烧蚀及切割方法

对密度为90 mg/cm3的PMP泡沫材料的飞秒激光烧蚀结果进行了分析,推导出该材料在脉宽50 fs、波长800 nm、重复频率为1000 Hz的飞秒激光作用下的蚀除阈值为0.91 J/cm2（100个激光脉冲）,获得了烧蚀直径分别随激光功率、脉冲数及聚焦物镜数值孔径的变化规律。相同飞秒激光加工系统下,对比了铜箔上获得的烧蚀形状,确定了PMP泡沫材料本身的多孔洞及其分布不均匀是造成烧蚀区域的形状不规则的重要因素。PMP泡沫在较高能量或是较长时间的飞秒激光作用下,烧蚀区域发生碳化的原因是由热作用引发的。提出了一种基于激光束耦合的飞秒激光切割厚度大于1 mm的薄膜-泡沫材料的方法,并获得了切割厚度大于1.5 mm、切割侧壁与光束光轴夹角小于5、切割面整洁的薄片。     

飞秒激光精密微纳加工的研究进展

飞秒激光由于其超快时间特性和超高峰值功率特性在精密微纳加工领域引起了人们广泛的重视.在与物质的相互作用中它能快速、准确地将能量作用在特定的区域内,从而可以获得极高的分辨率和加工精度.文章综述了飞秒激光精密微纳加工的最新研究进展,分别就飞秒激光烧蚀微加工和飞秒激光双光子聚合产生三维微纳结构进行了介绍,阐述了各自的物理机制.最后对飞秒激光微纳加工的研究前景做了初步探讨.     

飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的蚀除机理

结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光脉冲辐照B2结构镍钛合金时烧蚀阈值附近的靶材蚀除机制,数值模拟了中心波长为800 nm,脉宽为100 fs,能量密度为25~50 mJ/cm2的激光与90 nm厚B2结构镍钛合金薄膜相互作用过程。确定了脉宽为100 fs的脉冲激光与镍钛形状记忆合金相互作用的烧蚀阈值,发现烧蚀阈值条件下,靶材的蚀除机制是单纯基于应力作用的机械破碎;烧蚀阈值附近,未蚀除靶材受热影响发生无序化相变的区域较小,且随激光能量密度的降低而减小。 提高激光功率密度,烧蚀同时呈现热机械蚀除和机械破碎机制。     

飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的蚀除机理

结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光脉冲辐照B2结构镍钛合金时烧蚀阈值附近的靶材蚀除机制,数值模拟了中心波长为800nm,脉宽为100fs,能量密度为25~50mJ/cm2的激光与90nm厚B2结构镍钛合金薄膜相互作用过程。确定了脉宽为100fs的脉冲激光与镍钛形状记忆合金相互作用的烧蚀阈值,发现烧蚀阈值条件下,靶材的蚀除机制是单纯基于应力作用的机械破碎;烧蚀阈值附近,未蚀除靶材受热影响发生无序化相变的区域较小,且随激光能量密度的降低而减小。提高激光功率密度,烧蚀同时呈现热机械蚀除和机械破碎机制。     

飞秒激光烧蚀典型金属表面产生冲击波膨胀研究

利用时间分辨阴影成像技术进行飞秒激光烧蚀金属表面研究可以直观获取飞秒激光烧蚀金属表面产生冲击波膨胀过程的图像。通过对比飞秒激光烧蚀金属铝、铜、铁靶表面的冲击波膨胀形式发现:金属铜、铁表面的冲击波均以球面波形式传播;由于受到烧蚀物质喷溅的影响,铝靶表面竖直方向的冲击波传播形式由球面波转化为柱面波。     

飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度

在明确飞秒激光与物质相互作用过程冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝靶和铜靶过程中的冲击温度与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀金属的双温模型提取了冲击温度的绝对值, 基于非傅里叶热传导模型计算了冲击温度的分布. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料有借鉴意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 烧蚀 冲击温度     

Mechanisms of femtosecond laser-induced damage in magnesium fluoride

We studied the single-shot damage in magnesium fluoride irradiated by 800 nm femtosecond (fs) laser. The dependence of damage thresholds on the laser pulse durations from 60 to 750 fs was measured. The pump-probe measurements were carried out to investigate the time-resolved electronic excitation processes. A coupled dynamic model was applied to study the microprocesses in the interaction between fs laser and magnesium fluoride. The results indicate that both multiphoton ionization and avalanche ionization play important roles in the femtosecond laser-induced damage in MgF₂.     

面阵CCD相机的飞秒激光损伤分析

研究了飞秒激光对CCD相机的干扰和损伤效应。采用波长为800 nm,脉宽为100 fs,单脉冲能量为500μJ的脉冲激光辐照行间转移型面阵CCD相机,测量了飞秒激光对CCD相机的损伤阈值。在逐步提高到达CCD靶面能量的过程中观察点损伤、线损伤和全靶面损伤等实验现象,得到了点损伤阈值为151.2 mJ/cm2,线损伤阈值为508.2 mJ/cm2,全靶面损伤阈值为5.91 J/cm2。测量了CCD在不同损伤情况下时钟信号线间及其与地间的电阻值,通过对比CCD损伤前后的电阻值,发现线损伤和全靶面损伤时CCD垂直转移时钟线间及其与地间的电阻值明显变小。最后分析讨论了损伤部位和损伤机理。     

飞秒激光双光子微细加工技术及研究现状

飞秒激光双光子微细加工技术以其特有的高精度三维微加工优势,成为微型机械加工领域新的发展方向之一。介绍了飞秒激光双光子微细加工技术的原理和应用的现状。结合目前已有的微细加工技术,对双光子微细加工技术的特点加以评述。简要报道了利用飞秒激光双光子微细加工技术的一些研究进展。探讨了飞秒激光双光子微细加工技术今后的发展方向及其存在的基本问题。     

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.     

飞秒光镊技术及其发展

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。飞秒光镊在实现粒子微纳操纵的同时还伴随着非线性现象的发生。阐述了飞秒光镊的模型和原理以及系统的各种结构形式,包括单光束梯度力光阱、贝塞耳光阱、双光束光纤光阱和冲击波光阱几种形式,并分析了每种形式的特点。     

HfO_2单层膜的吸收和激光损伤阈值测试

薄膜吸收是降低膜层激光损伤阈值的重要原因,为了研究薄膜吸收对激光损伤阈值的影响,对HfO2单层膜在1 064 nm处的吸收及其在不同波长激光辐照下的损伤阈值进行了测试和分析。研究结果表明:薄膜的激光损伤阈值由薄膜吸收平均值(决定于薄膜中缺陷的种类和数量)和吸收均匀性(决定于薄膜中缺陷的分布)共同决定;根据HfO2单层膜在1064 nm波长处的吸收值,不但可以定性判断薄膜在1 064 nm波长,而且还可以判断在其它波长激光辐照下的抗激光损伤能力。     

长脉冲激光对组成CCD图像传感器的MOS光敏单元的硬破坏机理研究

以帧转移型面阵CCD图像传感器为例,采用有限元法研究了波长1.06 μm,脉宽ms量级长脉冲Nd:YAG激光与组成CCD传感器的MOS光敏单元的作用过程及硬破坏机理.建立了长脉冲激光辐照MOS光敏单元的热力耦合模型,模拟了MOS光敏单元的温度分布和应力分布.研究结果表明:在长脉冲激光作用下,由于S层表面径向压应力超过其抗压强度引起MOS光敏单元出现了OS层间分裂,进而受径向、环向和轴向压应力的共同作用下,在光敏单元还未熔融时,层间分裂就扩大至光敏单元的整个OS层间.OS层间完全分裂会使光敏单元发生硬破坏,并造成CCD传感器中激光照射区的单个或一列光敏单元的功能完全失效.文章的研究结果可为CCD图像传感器的激光损伤及防护提供必要的理论依据. 关键词： 长脉冲激光 CCD图像传感器 硬破坏机理 层间分裂     

Wavelength dependent damage in biological multi-photon confocal microscopy: A micro-spectroscopic comparison between femtosecond Ti:sapphire and Cr:forsterite laser sources

Molecular excitation by the simultaneous absorption of two photons provides intrinsic three-dimensional resolution in laser scanning fluorescence microscopy. Thus induced two-photon absorption and the accompanied multi-photon absorption/ionization not only cause photo-bleaching but also cell damage in the vicinity of the focal point. In this paper, we study the wavelength dependent cell damage induced by high intensity femtosecond near infrared lasers. The study was performed with a Ti:sapphire laser and a Cr:forsterite laser. With a longer output wavelength from a Cr:forsterite laser, multi-photon absorption and auto-fluorescence were found to be significantly suppressed and the destructive plasma formation was found to be greatly reduced. Sustained multi-photon spectra can be observed in most plant specimens with a tightly focused Cr:forsterite laser beam under long term irradiation with more than 100 mW laser average power. In contrast, multi-photon absorption induced destructive plasma formation were frequently observed with a tightly focused Ti:sapphire laser beam within seconds with more than 10 mW laser average power.     

Comparison of calcium phosphate coatings formed on femtosecond laser-induced and sand-blasted titanium

High energy femtosecond laser process was employed to create regular surface patterning on titanium while sand blasting treatment made a coarse surface. Both laser-induced titanium and blasted titanium could promote the formation of calcium phosphate compounds after the acid and alkali treatment, but little crystallized hydroxyapatite was grown on the laser-induced titanium in 1.5SBF only for 6 h, whereas Ca₄P₆O₁₉ was formed on the sand-blasted titanium. The femtosecond laser process together with common acid and alkali treatment might provide potential choice to enhance the biocompatibility of titanium and its alloys.     

飞秒激光烧蚀石英玻璃的实验与理论研究

实验研究了800nm飞秒激光作用下石英玻璃的破坏机理和烧蚀规律，给出了破坏阈值与脉冲宽度的关系.发展了雪崩击穿模型，计算了材料的烧蚀阈值与脉冲宽度的依赖关系，烧蚀深度、烧蚀体积与脉冲能量的依赖关系，研究了导带电子的扩散对材料中激光能量的沉积、分布，以及材料的破坏阈值和烧蚀规律的影响. 关键词： 飞秒激光脉冲 破坏机理 石英玻璃 电子扩散