超短脉冲激光诱导周期性表面结构

激光诱导周期性表面结构（Laser-induced periodic surface structures,LIPSS）具有纳米尺度的特征结构和自重复的微观尺度的排列图案,因此,LIPSS在传感器、太阳能发电、光催化等方面具有广泛的应用前景。本文首先介绍LIPSS形成过程中超快激光与物质相互作用的复杂过程,强调瞬态光学性质和表面结构变化的作用。然后综述几种具有代表性的LIPSS形成机理,并且讨论了各自的优缺点。接着介绍了LIPSS形成过程中材料的变化,主要包括材料化学成分、晶体结构和表面微观结构的变化。最后综述了LIPSS在材料表面处理、光学和机械等方面的应用。     

飞秒激光辐射诱导金属表面微纳结构研究

通过1 kHz的飞秒脉冲(脉宽130 fs,中心波长800 nm)对厚度为60 μm的不锈钢65Mn表面进行飞秒微加工,通过拟合得到65Mn的消融阈值为0.5 J·cm-2。研究了飞秒激光作用下表面形成的多种微结构,其中包括纳米孔及纳米柱状物。同时讨论了激光能量和作用脉冲个数对微结构形成的影响。随着周期波纹结构的形成,发现在各种能量和脉冲个数条件下,周期结构的周期约为入射脉冲的波长。相同的激光功率下,在不同加工速度和加工次数下对不锈钢进行表面微加工,得到了规则的圆孔阵列结构。     

飞秒激光诱导水光学击穿阈值

为了研究飞秒激光诱导水光学击穿阈值随激光脉冲参数的变化关系,采用四阶RungeKutta方法对飞秒激光诱导水光学击穿的椭球体模型进行了不同脉宽(40～540fs)、波长(400～1200nm)和光斑尺寸(0～200μm)下的数值模拟。通过控制变量法得出阈值光强与这些激光脉冲参数的关系曲线图,据此定性分析了阈值光强与激光脉冲参数的变化特征趋势。应用光强与功率、能量、辐照曝光量和电场强度之间的关系,得到了它们随激光脉冲参数脉宽、波长和光斑尺寸的动态关系,这为进一步研究飞秒激光与水和含水介质的相互作用提供了理论依据。     

飞秒激光诱导水光学击穿阈值

为了研究飞秒激光诱导水光学击穿阈值随激光脉冲参数的变化关系,采用四阶Runge-Kutta方法对飞秒激光诱导水光学击穿的椭球体模型进行了不同脉宽（40~540 fs）、波长(400~1 200 nm)和光斑尺寸（0~200 μm）下的数值模拟。通过控制变量法得出阈值光强与这些激光脉冲参数的关系曲线图,据此定性分析了阈值光强与激光脉冲参数的变化特征趋势。应用光强与功率、能量、辐照曝光量和电场强度之间的关系,得到了它们随激光脉冲参数脉宽、波长和光斑尺寸的动态关系,这为进一步研究飞秒激光与水和含水介质的相互作用提供了理论依据。     

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。     

飞秒激光相干场诱导材料功能微结构

飞秒激光在整个脉冲宽度内具有极好的相干性，因而当从同一光束分出的两束或两束以上的光束时间与空间上实现相互叠加时将会形成强度周期性调制的电磁场．这种周期调制的电磁场与材料产生相互作用，能诱导出相应的周期微结构．最近通过两束或两束以上飞秒激光干涉诱导功能微结构得到了广泛研究．文章综合了国内外飞秒激光研究小组在干涉诱导微结构方面的一些最新成果以及作者在这方面开展的工作，对飞秒激光干涉技术的原理及其在诱导微结构方面的应用进行了介绍．     

飞秒激光诱导硬质合金YG6表面累积效应

采用波长800nm的飞秒激光对硬质合金YG6表面进行多脉冲加工,利用光学显微镜测量微凹坑损伤形貌及损伤直径,研究了飞秒激光在不同能量密度和脉冲数下硬质合金YG6的损伤阈值和损伤直径的变化规律及其损伤机制.试验结果表明:硬质合金YG6的多脉冲损伤阈值随着脉冲数增加而降低,呈现明显的累积效应.试验得到了多脉冲飞秒激光加工YG6的损伤阈值、损伤直径与脉冲数及中心能量密度的定量关系,YG6多脉冲损伤阈值主要与脉冲数相关,由单脉冲损伤阈值和累积系数共同决定,试验得到YG6单脉冲损伤阈值为1.14±0.06J/cm2,累积系数为0.84±0.02.损伤直径主要与光束中心能量密度和脉冲数相关,由光束束腰半径,单脉冲损伤阈值和累积系数共同决定.试验采用多组平均功率和脉冲数对YG6进行烧蚀,验证了单脉冲损伤阈值和累积系数的可靠性.     

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.     

飞秒激光作用下光学与激光玻璃的暗化阈值测量

报道了各种商用光学玻璃和激光玻璃在800nm、120fs、1kHz钛宝石脉冲激光作用下,产生光致暗化的阈值。     

飞秒激光在石英玻璃表面刻蚀微槽的研究

采用波长为1040 nm、脉宽为388 fs、重复频率为100 kHz的飞秒激光对石英玻璃表面进行大深宽比微型凹槽的刻蚀。首先,通过面积推算法,实验测量得到石英玻璃的损伤阈值为10.61 J/cm²。然后,采用单线刻蚀法,研究了激光单脉冲能量、扫描速度和扫描次数对微槽刻蚀深度和宽度的影响。最后,利用激光扫描振镜,使用螺旋环切法,有效地增大微槽深宽比。实验结果表明:激光单脉冲能量是影响微槽深宽比的主要因素,在激光单脉冲能量为110μJ、扫描速度为100 mm/s、扫描次数为30的条件下,能够获得质量良好、槽宽50μm且深宽比达5.4的石英玻璃微槽。     

飞秒激光诱导ZnO :Al薄膜周期结构及其光致发光特性

利用单束800 run飞秒激光在掺杂了Al的ZnO薄膜中制备了纳米周期条纹结构.研究了不同能流密度的飞秒激光在照射不同的时间后,表面纳米周期结构的变化规律及其形成机制.利用He-Ge激光器作为激发光源,研究了ZnO:Al薄膜的光致发光特性及其与纳米周期结构的关系.结果表明,近带隙发光增强的主要原因是800 nm飞秒激光...     

Laser Mode-Dependent Size of Plasma Zones Induced by Femtosecond Laser Pulses in Fused Silica

We carry out the numerical simulations of femtosecond laser propagation with TEMoo mode, TEM10 mode and a beam combining both the modes in fused silica. It is found that the transverse size of plasma zones induced by laser pulses with the TEM10 mode is smaller than that induced by the TEM00 mode, while the longitudinal size is almost the same, and the saturated plasma density is higher. The transverse size, the longitudinal size and the ratio of the longitudinal to transverse size, for the beam combining both the modes, all could be reduced at the same time in comparison with the TEM00 mode under the same focusing conditions.     

线性、径向和环向偏振飞秒激光诱导非晶合金周期性表面结构

研究在复杂偏振条件下,飞秒激光诱导非晶合金Zr44Ti11 Cu10Ni10Be25(at％)表面周期性结构的形成机理.实验采用波长800 nm、脉宽120 fs的超短脉冲激光,分别在线性、径向、环向偏振条件下,诱导非晶合金表面生成复杂的周期性表面结构.表面结构由周期为652～723 nm的低频条纹和周期为1 304～1 765 nm的微型条纹组成.通过有限差分时域法仿真分析,发现微型条纹由粗糙表面引起的定向调制的表面散射电磁波与入射激光干涉形成.仿真结果与实验结果一致,验证了微型条纹形成机理的有效性.     

不同烧蚀条件下飞秒激光脉冲诱导ZnO纳米结构研究

烧蚀条件对飞秒激光脉冲诱导氧化锌纳米结构有重要影响.研究了800 nm,150 fs,250 kHz的飞秒激光脉冲分别在空气中,去离子水中以及无水乙醇中垂直聚焦于氧化锌晶体表面,诱导形成不同形态的纳米结构.实验结果表明,在空气中利用飞秒激光脉冲辐照样品表面,形成了周期为180 nm的纳米线;在去离子水中辐照诱导形成了由氧化锌纳米线聚集而成的"纳米球";在无水乙醇中形成出现分叉结构的纳米线.拉曼光谱分析辐照前后晶体晶相结果表明,形成的纳米结构相对于辐照前特征峰437 cm-1强度有所下降,在570 cm-1处的峰值则显著增强.分析了在各种烧蚀条件下诱导形成纳米结构的演化过程以及物理机理.     

飞秒激光诱导的Mn2+掺杂锗酸盐玻璃上转换发光

研究了室温下的飞秒激光诱导过渡金属Mn2+掺杂锗酸盐玻璃的上转换发光现象。样品的激发光谱与发射光谱表明,激发过程是能级6A(6S)→4E(4G)/4A1(4G)的跃迁,该过程源于Mn2+离子的4T1(4G)→6 A1(6 S)跃迁。由409 nm单色光激发样品得到的发射光谱与800 nm飞秒激光激发的光谱相一致。通过分析飞秒激光泵浦功率密度与荧光强度的依赖关系以及飞秒激光辐照样品前后的吸收谱,认为该上转换过程为双光子同时吸收过程。随着Mn2+浓度的提高,上转换发光的中心波长发生红移。     

Estimation of the Refractive Index Change in Glass Induced by Femtosecond Laser Pulses

It is known that local refractive index change occurs when femtosecond laser pulses with extremely high peak power are launched into glass. We focused 130-femtosecond laser pulses of 800 nm into the bulk of glass and examined the shape of the induced refractive index change. We found that the length of the spot of the refractive index change along the optical axis reached about 30 μm despite the diameter being about 2 μm. To estimate the distribution of induced refractive index change, we fabricated Bragg grating by scanning the focused spot and calculated the amount of the change by applying Kogelnik’s coupled mode theory to the measured diffraction efficiencies of the higher order diffracted beams.     

Theoretical and Experimental Investigation of the Formation of High Spatial Frequency Periodic Structures on Metal Surfaces Irradiated by Ultrashort Laser Pulses

Experimental results on the formation of small-scale periodic nanostructures during ablation of solids by pico- and femtosecond laser pulses are presented. The period of these nanostructures is in the range of 50 to 100 nm, and they may coexist with known periodic nanostructures, whose period and orientation is determined by the laser wavelength and amounts to several hundreds of nanometers. The formation of high-frequency periodic structures with a period of about 100nm is theoretically analyzed by joint numerical solution of the heat conduction problem and Navier?Stokes equation. It is shown that their orientation is determined by the melt bath geometry.     

外加高压电场下空气中激光等离子体通道寿命研究

通过对飞秒激光在空气中产生的等离子体通道两端外加高压,来研究通道的寿命变化情况。实验得到,当在等离子体通道两端外加高压时(350 kV/m),等离子体通道寿命延长了近3倍。理论模拟和分析结果表明在外加电场条件下,碰撞电离得到增强,吸附作用相对减弱,解离复合系数随着电子平均能量的增加而下降的趋势更为剧烈,这进一步引起了等离子体通道寿命的延长。实验结果与理论分析共同表明了利用外加电场对空气中激光等离子体通道寿命进行延长的可行性。     

Terahertz Radiation from Graphite Excited by Femtosecond Laser Pulses

We experimentally investigate the terahertz （THz） generation from a graphite surface induced by femtosecond laser pulses, and systematically study the dependence on the excitation power, the crystal orientation of graphite, polarization state and incident angle of optical beam. New evidence related to excitation and detection geometry is found and presented, which supports the THz generation mechanism of transient photocarrier transporting along the basal plane normal. Our observation also suggests other probable contributions by in-plane charge oscillations. The results may be helpful to explore and understand the photoelectric properties of graphite and other allotropes of carbon.