飞秒激光的波长对SiC材料烧蚀的影响

利用10倍的显微物镜将近红外飞秒激光脉冲汇聚到宽带隙半导体材料6H SiC的前表面,研究样品的烧蚀及诱导微细结构。用扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)及光学显微镜测量烧蚀斑。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的关系确定SiC的烧蚀阈值。给出了SiC样品的烧蚀阈值与飞秒激光波长的依赖关系。实验结果表明,可见光区随波长增加,烧蚀阈值从0.29J/cm2增加到0.67J/cm2;而在近红外区,SiC的烧蚀阈值为0.70J/cm2左右,基本上不随激光波长变化而改变。结合计算结果,可以认为在飞秒激光烧蚀SiC的过程中,在近红外区,光致电离和碰撞电离均起到了重要的作用;而在可见光区,光致电离的作用相对大一些。     

物理参数变化对短脉冲激光激励温度场的影响

 为研究多物理参数（耦合系数、电子热导率、电子热容、晶格热容）同时随温度变化对短脉冲激光辐照金属材料产生温度场分布的影响,基于双温耦合理论,建立了短脉冲激光辐照金属材料金的加热过程的有限元求解模型。在同时考虑脉冲激光的空间、时间分布和多参数同时随温度变化的情况下,得到短脉冲激光辐照金属材料金激励产生的温度场二维瞬态分布,并进一步比较了多物理参数同时随温度变化和采用室温物理参数两种情况下温度场分布的区别。数值结果表明：多物理参数同时随温度变化使电子温度和晶格温度的上升变快,最大值变大,而且使得材料中激光穿透直接辐照到的区域温度变高。     

时空分布的超短激光脉冲烧蚀电介质材料时等离子体的产生

若考虑聚焦平面内固定区域,脉冲空间分布可简化为一维问题.在此基础上,从脉冲的传输过程出发,本文分析了时空分布的超短激光脉冲与电介质材料相互作用时等离子体形成模式.在材料内部累积的能量与脉冲宽度、与空间相关的损伤区域、等离子体形成时间及其吸收系数有关.     

对飞秒激光等离子体相互作用中横向箍缩的观察

用飞秒激光的Normaski偏振干涉法,对超短激光脉冲产生的等离子体膨胀过程进行了光学诊断,得到了有时间分辨的等离子体干涉图.发现飞秒激光等离子体在靶面平行的方向上出现了箍缩,使等离子体膨胀呈jet结构,这种箍缩现象是由自生磁场对等离子体的约束所造成. 关键词： 飞秒激光等离子体 光学诊断 电子密度分布     

激光啁啾对激光等离子体细丝传输的影响

对不同啁啾状态下的飞秒激光在大气中的成丝过程进行了研究.实验研究发现成丝状况及其演化与初始激光脉冲的啁啾状态密切相关，适当的负啁啾有利于激光的成丝传输.当初始激光脉冲的啁啾量不断变大时，激光脉冲在大气中的成丝起点位置会逐渐变远.还研究了初始脉冲啁啾量对使用聚焦透镜产生的细丝的影响，发现其与自由传输情况具有相似的变化规律. 关键词： 飞秒激光等离子体通道 脉冲啁啾     

单光束飞秒激光诱导的电子态密度分布对双周期纳米光栅的影响EI北大核心CSCD

研究了不同脉冲能量下1kHz飞秒激光脉冲在石英玻璃内部诱导的损伤痕迹、纳米光栅结构及其双折射特性,发现在激光辐照区域顶端形成的微纳结构具有两种周期性:沿光传输方向的周期为ΛK;沿激光偏振方向的周期为ΛE.通过数值模拟飞秒脉冲在石英玻璃内部的传输过程,研究了入射能流密度分布及自由电子密度分布对双周期纳米光栅结构的影响.结果表明,较大的入射能流密度有利于纳米光栅的形成,且产生的电子密度会影响周期ΛK,电子密度越大,周期ΛK越大.从理论上分析了双周期纳米光栅结构的形成过程,认为等离子体非对称生长及其引起的局域场强分布影响了双周期纳米光栅结构的形成.     

外电场作用下飞秒激光成丝辐射太赫兹波的全电流模型

针对外加横、纵直流电场作用下的单色飞秒激光成丝辐射太赫兹波现象,提出了一种将微观等离子体电流振荡与宏观电流传输线辐射相结合的全电流模型,旨在解释外电场作用下太赫兹波增强、空间分布演变等辐射特征。与现有渡越-切连科夫辐射理论相比,所提出的全电流模型在等光速条件下可实现相位匹配,物理图像清晰、公式简洁,且能很好地复现实验结果。     

激光细胞微手术的发展和应用

现代生命科学的发展在很大程度上依赖于对活细胞的加工和操纵,比如切除细胞内的某些特定蛋白或细胞器等.激光细胞微手术是一个强有力的工具,近年来在细胞微手术精度控制方面取得很大的进展.综述了激光细胞微手术的最新发展及其在生物学和生物医学工程中的应用,对目前激光细胞微手术中存在的主要问题进行了讨论,对比了普通激光聚焦法、飞秒激...     

飞秒强激光经氩气和氩团簇的传播

通过数值求解三维电场传播方程,理论模拟了飞秒强激光脉冲（50 fs,1016 w/cm2）在氩气和中等尺寸氩团簇中的传播效应.结果表明,飞秒强激光脉冲经氩气传播将发生频谱蓝移展宽和光束发散;而经中等尺寸氩团簇传播,则存在一定程度的自聚焦效应.     

抛光粉颗粒度对高功率激光玻璃材料抛光效率和粗糙度的影响

磷酸盐钕玻璃、熔石英和BK7是3类用于激光惯性约束聚变(ICF)装置主要光学元件材料.实验中采用不同平均粒径的氧化铈抛光粉对上述3类材料分别进行抛光,对特定材料抛光去除量和抛光粉平均粒径的关系进行了研究.实验表明:由于材料的物理和化学特性不同,特定的材料需选用相应平均粒径大小的抛光粉才能达到最佳的抛光效率.实验还就上述3类高功率激光玻璃材料抛光中各个阶段的抛光粗糙度与抛光粉平均粒径的关系进行了研究,结果表明:某一规格抛光粉的粒径对不同特性材料抛光后的表面粗糙度影响表征情况不同.     

飞秒激光刻写铌酸锂光波导的实验研究

研究了飞秒激光加工参量对刻写质量的影响,分析了激光能量吸收的多光子效应,测试了刻写通道的传输特性.实验结果表明,激光刻写的通道具有良好的波导特性：当激光脉冲能量在20 μJ左右,扫描速度在300 μm/s～400 μm/s之间时,刻写通道的传输损耗小于1 dB/cm,低于晶体的传输损耗,其原因是激光诱导锂离子的扩散引起了晶体内部局部折射率的增加.     

基于扫频采样的飞秒激光大尺寸测距方法研究

作为一种高精度测量工具,飞秒激光具有优于传统激光技术的特性,已被广泛应用于工业生产、航空航天、科学研究等领域。扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、扫描速度过慢等问题,对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。基于扫频采样原理,提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法,并对该技术的测量原理、干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。首先,根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应,介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。在此基础上,结合传统的光学采样法原理,解释了扫频采样法的测距原理,推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。然后,搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统,在线性导轨上进行了远距离的测量实验,同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。根据实验环境修正了空气群折射率,分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响,测量了不同目标位置处的激光扫描距离。在50.4 m的测量范围内,扫描距离从0.56 mm增加到1.12 mm,充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。周期性的频率扫描可产生互相关条纹,通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理,解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数,从而获取被测的距离信息。此外,为了减小系统的时间延迟误差,提高测量的准确性,采用差分原理对算法进行了改进。在希尔伯特算法基础上,分别对频率和距离进行差分处理,解算距离信息。实验结果表明,经过对比,采用基于距离差分的改进算法处理数据,性能结果较好。算法改进后,系统在50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm,相对精度从2.2×10-9提高到8×10-8,测距准确性明显提高。通过分析重复性测量数据,并与增量式激光干涉仪结果比对,测量误差的标准差从10 μm提高到2 μm,最大相对稳定性从2×10-9提高到4×10-8,测距稳定性明显提高。因此,该方法有较为优秀的大尺寸测距能力,具有同时实现高精度、大尺寸、快速绝对测距的潜力,在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。     

飞秒激光微细加工中光耦合器参数的数值模拟

用有限差分迭代求解光束传输方程,对1×2(Y型)耦合器和2×2(X型)耦合器分路的夹角大小对分路中光束分配比例的影响进行了模拟研究.模拟结果显示：耦合器夹角控制在一定的范围内,对分路中光束能量分配影响不大;2×2耦合器对分路夹角以及波导宽度的变化敏感.为飞秒激光加工光纤无源器件的可行性做了理论上的分析.     

热物性参量对飞秒激光烧蚀金属影响的分子动力学模拟

利用结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光与金属相互作用的烧蚀机制.采用中心波长为800 nm,能量密度从0.043 J·cm~(-2)到0.40 J·cm~(-2)不等,脉宽分别为70 fs和200 fs的激光烧蚀金属镍和铝材料.靶材的温度、原子位型以及内部压力随时间的演化展示了材料热物性参量特性和激光参量对烧蚀结果的影响.结果显示材料电子热传导率对飞秒脉宽激光下的影响仍然较大;对比铝和镍的结果可知,铝的电子晶格耦合系数比镍的小,故电子晶格间的温度梯度持续时间较长;铝的电子热传导系数比镍的大,所以材料上下表面电子温度耦合的时间缩短.铝薄膜表面在能量密度为0.40 J·cm~(-2)激光烧蚀下呈现纳米尺寸的晶体结构.     

飞秒激光脉冲诱导透明介质的非线性吸收和折射率改变轮廓研究

实验研究了飞秒激光脉冲诱导熔融石英的非线性吸收特性,利用激光诱导自由电子等离子体浓度取决于多光子吸收系数和入射光强的关系;数值模拟了激光诱导折射率变化区域的大小,结合非线性吸收机理和飞秒激光脉冲与介质的相互作用,解释了飞秒激光脉冲超精细加工不受衍射极限的约束,可实现纳米级加工的机理结果表明,电介质的电离能越大,飞秒脉冲诱导的折射率变化区域就越小,但要求的激光脉冲能量也越大;为飞秒激光脉冲超精细加工的材料和激光参量选择提供了理论依据.     

非线性吸收诱导掺镱光纤激光器中的光学双稳

研究了在掺镱光纤激光器中观察到的光学双稳态现象.激光信号光和驻留泵浦光的双稳特性来源于激光器在小信号和增益饱和两种情况下,掺镱光纤对信号的非线性吸收导致的激光器内腔非线性损耗.同时分析了把泵浦光中的光学双稳行为通过分叉的腔结构扩展到切换式双波长光纤激光器的可行性.     

不同气体工质对激光推力器冲量耦合系数的影响

通过冲击摆实验,测量了激光推力器在不同气体工质(氩气,氦气)、不同工作压力条件下的冲量耦合系数,比较了不同气体对激光推力器冲量耦合系数的影响.实验结果表明:冲量耦合系数随着环境压力的下降而下降,并且下降趋势越来越快;在氩气中测量的冲量耦合系数比氦气的高;实验产生误差的主要因素是摆角的测量误差.     

飞秒激光光刻波导偏振器

飞秒激光诱导折射率变化提供了一种灵活的三维光子器件制作手段.飞秒激光光刻的II类波导具有偏振导光特性,可以作为波导偏振器,但是对于要保留的偏振分量损耗太大.本文阐述了一种利用飞秒激光在熔融石英中制作的新型低损耗波导偏振器.它由中间的一根I类波导及两侧的两根II类纳米光栅轨迹构成.基于飞秒激光诱导的纳米光栅的偏振依赖散射特性,II类纳米光栅轨迹能够对I类波导的倏逝场进行调制.偏振方向垂直于纳米光栅的模式相对于偏振方向平行于纳米光栅的模式有更大的散射损耗,因此导通的是偏振方向平行于纳米光栅的模式.研究了消光比随I类波导与II类纳米光栅轨迹之间的间距的变化关系,选择一个最佳间距来进一步研究消光比随II类纳米光栅轨迹长度的变化关系.在间距6 μm,II类纳米光栅轨迹扫描长度6 mm处实现了最大15.91 dB的消光比.通过增加II类轨迹的长度或者数量,很容易得到更高的消光比.     

用飞秒激光在透明介质体内形成衍射光栅

用数值孔径为0.65的40倍显微透镜紧聚焦能量稍高于能量损伤阈值的200 fs的钛宝石激光脉冲,分别在ZK6玻璃和K9玻璃内部导致局部折射率改变,在透明介质内部形成透射式相位衍射光栅．在635 nm的He-Ne激光照射下,通过对光栅衍射效率的数值拟合计算,得出了的光栅条纹宽度与实际测量基本吻合,这从侧面证明了折射率改变区域为超高斯型的假定．还对折射率改变区域的性质进行了分析．在实验上观察到脉冲间的相互影响将导致折射率改变区域范围的增大．从理论上给出了增加1级衍射效率的途径．