脉冲激光诱导光纤损伤的测试方法

 针对传能光纤的高峰值功率激光损伤过程,研究了光纤损伤测试方法。实验装置搭建中增加了定位孔,有利于激光注入光纤对准;分别采用刀口法和CCD法对入射光束不同截面处光斑大小进行了测量,两种方法的测量结果基本一致。参考GJB1487-92激光光学元件测试方法和ISO11245光学表面的激光诱导损伤阈值测试方法,采用N-ON-1损伤测试和有效光斑面积计算方法对芯径为400 μm的石英包层阶跃折射率石英光纤进行了损伤阈值测试。实验发现：光纤损伤部位全部为入射端面,利用200倍显微镜观察光纤端面,出现明显永久性损伤点。最后采用统计学原理和线性拟合等方法得出测试光纤的端面零概率损伤阈值为3.85 GW/cm²。     

激光诱导介质击穿中的脉冲截断问题

强激光与介质相互促进作用过程中,当自由电子的密度达到介质的损伤阈值时,介质将被击穿,脉冲的后续能量被激光等离子体强烈吸收而引发截断,这个时间点定义为截断时间点.脉冲的截断时间点对激光脉冲能量的传输有很大的影响.理论研究了入射激光脉冲能量对脉冲截断时间点分布的影响.定量分析和模拟了截断时间点对脉冲能量透过率的影响.模拟结果和实验结果符合很好.研究发现:激光脉冲能量透过率由脉冲截断时间点的位置决定.当脉冲截断时间点分布在脉冲前沿、峰值和后沿时,激光脉冲能垦的透过率分别对应小于50%,等于50%和大于50%.在线测量激光脉冲能量的透过率也可作为一种在线检测光学元件是否发生破坏的方法.     

激光脉冲能量对激光诱导铝合金等离子体物理特性的影响

为研究激光脉冲能量对激光诱导等离子体辐射特性和膨胀过程的影响,采用ICCD相机对不同激光脉冲能量激发的铝合金等离子体进行快速成像,并利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析等离子体的电子温度和电子数密度随激光脉冲能量的演化规律.实验结果表明,激光诱导等离子体呈现明显的分层结构,等离子体的激发阈值约为3mJ,等离子体不同区域的面积随激光脉冲能量变化呈现不同的特征.当激光脉冲能量低于10mJ时,等离子体的分层结构不显著.激光脉冲能量从10mJ增加到100mJ过程中,等离子体电子温度从4 980K升高到7 221K,等离子体的电子数密度在1017 cm-3量级并随激光能量增加而增大且趋于饱和.     

激光诱导击穿光谱在薄膜损伤分析中的应用

提出了应用激光诱导击穿光谱技术对薄膜损伤特性进行表征的方法,研究了纳秒脉冲激光作用下薄膜损伤时的等离子体光谱特征,并应用该技术对薄膜的抗激光损伤特性进行了测量.实验测得,HfO2单层膜在78mJ的激光能量的辐照下,薄膜损伤时的等离子体温度为2 807.4K,且电子密度为7.4×1017cm-3.利用识别薄膜损伤时的等离子体光谱的特征,准确地判断了薄膜是否损伤,避免了薄膜损伤的误判现象.结果表明,激光诱导击穿光谱技术适用于薄膜的激光损伤测试中,并且是一种非常有效的测试分析方法.     

高功率激光传输过程中散射点对光束质量的影响

为了研究高功率激光传输过程中不透明颗粒引起的光束调制,通过分析这些不透明颗粒的形状和分布特点,建立了位置呈随机分布的高斯状散射点模型,从光束的衍射理论和干涉叠加理论出发,得到该模型下散射点对传输光束质量影响的解析式。数值分析了高斯状散射点的大小、密度、散射面积比及其传输距离对输出光束的近场分布、位相分布和光束透过率的影响,结果显示亚毫米量级散射点的衍射效应引起最大调制可达1．4,光学元件散射面积比小于0．003时才能满足元件透过率大于99．5％的需求。该结果可用于评价高功率激光装置光学元件的加工状况,并对光学元件加工要求和激光装置的洁净度要求有指导意义。     

高重复频率激光脉冲光束大小对吸收玻璃损伤特征的影响

针对高重复频率对吸收性滤光片损伤问题,研究了高重复频率(kHz量级)激光脉冲的光束半径大小对吸收玻璃的形貌特征和损伤机理.研究发现在总的激光作用个数、单脉冲能量和脉冲作用频率固定时,吸收玻璃的损伤特性发生很大变化:在光束半径较大时,激光能量分散,主要损伤形貌是熔化破坏;随着光束半径的减小,激光脉冲能量变得集中,热量的累积效果变得明显,逐渐变成熔化破坏和气化破坏;当激光光束半径小到一定程度,则会由于光强过大使得介质表面发生击穿而产生激光等离子体冲击波,同时由于热量沉积的集中使光束作用中心处产生超热液体,当满足相爆炸发生的条件时,气化物、液滴和固体颗粒的混合物会向外飞溅,在损伤凹陷的周围形成气化物、液滴的冷凝区和固体颗粒溅射区. 关键词： 激光诱导损伤 高重复激光脉冲 吸收玻璃 相爆炸     

激光波长对煤激光诱导击穿光谱特性影响的试验研究

我国电站入炉煤种复杂多变,实时快速获取煤质成分对保障锅炉的安全、高效、低污染运行具有重大意义。将激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于燃煤煤质测量,观测了不同波长激光(355,532和1 064 nm)诱导产生的等离子体时间演变特性和不同电离特性元素的谱线时间特性,对比了出现屏蔽效应时的能量阈值随激光波长的变化特征,并研究了激光波长对煤LIBS光谱特性的影响规律。结果发现：使用532 nm激光作为激发光源时,煤LIBS光谱具有最强的谱线信号强度,且出现等离子体屏蔽效应的能量阈值也较高,是一种较理想的激发光源,为LIBS技术在煤质测量领域的工业应用提供了实验依据。     

纳秒脉冲激光诱导土壤等离子体辐射强度研究

为了改善激光诱导击穿光谱质量,采用Nd∶YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发土壤样品,由光栅光谱仪和光电检测系统记录激光诱导等离子体发射光谱,研究了激光输出能量(100～500mJ)对等离子体辐射强度的影响。实验结果表明,在激光能量为200mJ的优化条件下,可以提高光谱强度和信背比。当激光束被适当散焦以后激发样品时,能够进一步改善光谱质量,散焦位置为+6mm时元素Mg,Al,K和Fe的谱线强度比未散焦时分别提高了46%,63%,59%和45%,而光谱信背比分别提高了11%,31%,35%和38%。这为检测土壤样品中痕量杂质元素奠定了基础。     

表面粗糙度对激光诱导击穿光谱信号的影响

硅橡胶复合绝缘子是高压输电线路的关键设备,长期在复杂外界环境条件下带电运行后会发生表面老化,表现为粉化、褪色、粗糙度和硬度上升等现象。粗糙度作为复合绝缘子的老化特征量之一,其测量是复合绝缘子在线带电检测的难题。激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)适用于开展输电线路复合材料的远程在线检测,但粗糙度对LIBS信号的影响还没有得到系统的研究,利用这种基体效应进行绝缘子表面粗糙度的测量尚无报道。制备了不同粗糙度的硅橡胶新样品,与500 kV线路退运的复合绝缘子样品进行对比分析,研究了硅橡胶材料的粗糙度对LIBS信号的影响,结果表明,对于新制备硅橡胶材料随着粗糙度的增加,各主体元素特征谱线强度会随之增强,不同主体元素之间的原子谱线强度比（Si 288.2 nm/C 247.9 nm和Al 394.4 nm/Si 288.2 nm）随之下降,说明样品粗糙度对LIBS测量结果影响显著。但特征谱线强度及不同主体元素原子谱线强度比与粗糙度之间的函数关系不明显,难以用于粗糙度测量。硅橡胶的主体元素为Si,Al,C和O等,考虑元素含量及特征谱线的选取方便选择Si为主要分析元素。对于Si原子谱线强度比,选取了两条上能级相近（E_ki＝40 991.88, 39 955.05 cm-1）的原子谱线（SiⅠ288.2 nm,SiⅠ250.7 nm）作为分析线,在满足局部热力学平衡与光学薄的条件下两条谱线的强度比应为定值,但样品粗糙度的改变会影响脉冲激光烧蚀材料表面的过程,从而改变等离子体的状态,使得谱线强度比值也随之变化。上述两条硅原子谱线强度比和粗糙度建立的定标关系,线性相关系数为0.88。对于500 kV输电线路退运的老化硅橡胶材料,其表面由于老化有部分氢氧化铝填料析出,使得基体成分不均匀性更为显著,其表面也变得更为粗糙,这导致一对谱线强度比值作为定标函数,实用性降低。因此针对老化硅橡胶材料,除了选择Si元素谱线(SiⅠ250.7 nm,SiⅠ251.4 nm,SiⅠ251.9 nm)以外,还引入了Al元素谱线(AlⅠ305.7 nm, AlⅠ305.9 nm),利用三组谱线强度比进行多元回归分析,对于两个实测粗糙度为2.659和2.523 μm老化硅橡胶样品,LIBS测量的相对误差分别为0.218和0.189。结果表明对同样成分的复合材料,表面粗糙度对LIBS信号的影响是必须考虑的,而利用这种基体效应,开展远程在线测试复合绝缘子表面粗糙度,对于高压输电线路检测运维具有重要的应用价值。     

激光脉冲能量对激光诱导Al等离子体辐射特征的影响

使用Nd：YAG激光器烧蚀金属Al靶获得等离子体,利用光谱时-空分辨技 术,在52 mJ～145 mL/pulse激光脉冲能量范围内,关于激光脉冲能量对激光诱导等离子体 辐射特征的影响进行了研究。使用的气体是Ar气,压强为10 kPa。结果发现,激光脉冲能量 升高,引起特征谱线强度增加,连续谱强度也增加;但能量过高,会击穿周围气体,产生气 体微等离子体。此时,特征谱和连续谱几乎不再增强;最大特征辐射强度在145 mJ、10 kPa 、靶前0.1 mm处、延时180 ns获得;同一条件下获得最强背景连续谱,而信号-背景差是在 145 mJ、10 kPa、靶前1.0 mm处、延时450 ns达到最大值。基于Al等离子体不同激光脉冲能 量下的时间-空间分辨谱,对结果进行了简单的讨论。并分别确定了获得最大特征辐射和信 号-背景差的条件。     

脉冲激光辐照光学薄膜的缺陷损伤模型

建立了缺陷吸收升温致薄膜激光损伤模型,该模型从热传导方程出发,考虑了缺陷内部的温度分布以及向薄膜的传导过程,通过引入散射系数简化了Mie散射理论得出的吸收截面.对电子束蒸发沉积的ZrO₂:Y₂O₃单层膜进行了激光破坏实验,薄膜样品的损伤是缺陷引起的,通过辉光放电质谱法对薄膜制备材料的纯度分析发现材料中的主要杂质元素为铂,其含量为0.9％.利用缺陷损伤模型对损伤过程进行了模拟,理论模型和实验结果取得了较好的一致性.     

金属杂质粒子诱导薄膜的损伤机理研究

薄膜内的杂质粒子极易诱导薄膜损伤,研究了金属粒子诱导HfO₂薄膜损伤的特征,并基于金属粒子的热力学过程进行了分析。金属粒子对激光的强烈吸收将引起薄膜的熔化、气化以及电离,从而引起薄膜的剥离和脱落,形成圆状坑点;金属粒子对激光的吸收、热扩散以及热膨胀效应与其尺寸等密切相关;从温升规律分析,在相同激光能量辐照下,粒子大小引起的温升不同,从而形成大小不一的点坑状破坏点,且存在一个温升效应最强的粒径,最易引起薄膜的损伤;从金属粒子激光等离子体的辐射效应分析,金属粒子的辐射谱主要集中在紫外部分,辐射光子能量比入射激光光子能量强,具有更强的电离能力,从而加剧了薄膜的去除。     

初始电子密度对光学薄膜激光损伤机制的影响

光学元件的激光损伤问题是激光器件向高功率密度方向发展中必须认识和克服的问题.基于Forkker-Planck方程,研究了激光与材料相互作用时的雪崩电离机制、多光子电离机制以及联合两种机制的情况.雪崩电离的产生需要一定密度的初始自由电子存在,该自由电子可以是材料中原本就存在的,也可能是光电离产生的.着重分析了材料中的初始自由电子对材料电离机制的影响.结果表明,雪崩过程在激光作用一段时间后会达到一个稳定的电离阶段(以自由电子平均能量不随时间变化为特征,且此时雪崩电离为材料电离的主导机制),该时间与光电离速率、材料中初始自由电子密度有关.材料中的初始自由电子可以在一定程度上掩盖光电离的作用效果.     

初始电子密度对光学薄膜激光损伤机制的影响

光学元件的激光损伤问题是激光器件向高功率密度方向发展中必须认识和克服的问题.基于Forkker-Planck方程,研究了激光与材料相互作用时的雪崩电离机制、多光子电离机制以及联合两种机制的情况.雪崩电离的产生需要一定密度的初始自由电子存在,该自由电子可以是材料中原本就存在的,也可能是光电离产生的.着重分析了材料中的初始自由电子对材料电离机制的影响.结果表明,雪崩过程在激光作用一段时间后会达到一个稳定的电离阶段（以自由电子平均能量不随时间变化为特征,且此时雪崩电离为材料电离的主导机制）,该时间与光电离速率、材料中初始自由电子密度有关.材料中的初始自由电子可以在一定程度上掩盖光电离的作用效果.
关键词:初始电子;激光损伤;光电离;雪崩电离     

激光光热偏转成象法无损检测光学薄膜的激光损伤

介绍了应用激光光热偏转成象法无损检测光学薄膜激光损伤的基本原理，由此建立了实验检测装置，对光学薄膜表面的激光损伤进行了扫描检测，并以直观的灰度象显示. 实验结果证明了激光光热偏转成象法检测光学薄膜激光损伤具有直观、有效、可确定损伤阈值的优点.     

平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统

为了满足快速、精确、定量地测量薄膜激光损伤阈值的要求,设计了平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统.介绍了损伤阈值测量的原理和方法,提出二分查找与顺序查找相结合的能量密度查找方式;根据分光镜的分光比及能量探测器示值求解辐照激光能量,用CCD成像法精密测量了作用在薄膜表面的激光光斑面积;基于小波变换法,通过图像处理精确识别了薄膜的损伤;建立能量密度与损伤几率坐标并进行最小二乘法拟合,对损伤阈值进行了标定.对45°高反射膜分别进行了高斯光束辐照和平顶光束辐照的测量实验,结果表明:高斯光束辐照测量的损伤阈值为9.95J/cm~2,平顶光束辐照测量的损伤阈值为13.98J/cm~2,平顶光束诱导比高斯光束诱导的损伤阈值高40.5%.     

样品的激光诱导击穿光谱及谱线的自吸收现象

以脉冲Nd∶AG激光器的二倍频输出为激发源,获得了一种家庭用煤的激光诱导击穿光谱(laser induced breakdown spectrum,LIBS)。通过对谱线的归属,发现该煤种除包含文献报道的C,Si,Mg,Fe,Al,Ca,Ti,Na,K元素外,还包含Cd,Co,Hf,Ir,Li,Mn,Ni,Rb,Sr,V,W,Zn,Zr等微量元素,谱图中没有出现对应H和O元素的谱线,把该现象归因于H和O原子的跃迁概率较小,而灵敏谱线对应跃迁的上能级能量较大。同时发现随激光脉冲能量的增加,等离子体发射谱线的强度增大,增加到一定程度,K原子766.493和769.921 nm谱线会出现自吸收现象,自吸收的程度随激光能量的增加而增强,出现明显的双峰结构,把自吸收现象归因于原子大的跃迁概率及激光强度增加引起等离子体中粒子数密度的增大。     

激光引起玻璃表面的破坏

探讨了高功率激光对玻璃表面的破坏。测量了在２００ｐｓ激光正入射照射下Ｋ８玻璃的破坏阈值。解释了样品输入面和输出面破坏阈值不同的原因。     

温度对矿井老空水激光诱导荧光光谱的影响

煤矿井下突水水源的快速判别对煤矿安全生产意义非常重大,激光荧光技术用于煤矿突水水源的识别打破了传统水化学方法耗时长的不足。矿井老空水是最常见也是危害最大的水源类型,而温度是影响物质特性的重要因素之一,研究激光诱导荧光检测老空水的温度特性有助于快速准确识别矿井突水水源,该研究具有重要的学术意义和实用价值。采用405 nm蓝紫光半导体激光器作为光源,设定激光器功率为120 mW,产生的激光经UV/Vis石英光纤由荧光探头照射待测水样,待测水样受激光激发产生荧光由荧光探头采集,通过石英光纤传输至光谱仪。以2017年3月在淮南市张集煤矿采集的老空水作为研究对象,首先过滤掉水样中的悬浮颗粒,随后将其放置在烧杯中,使用冰块使样品温度降低至5.0 ℃,随后放入恒温水浴锅中,使用铁架台固定荧光探头使其位于液面下1 cm处。在荧光光谱采集过程中,样品始终放置在恒温水浴锅中,通过水浴锅控制样品在10.0～60.0 ℃温度范围内获取荧光光谱,并讨论了温度变化对老空水激光诱导荧光光谱谱图、波峰位置及峰值、温度系数、谱图面积的影响。研究结果表明：随着温度升高,加速了分子运动,增加了分子间碰撞的概率,使得非辐射跃迁增加,老空水的荧光效率下降,荧光强度减弱,荧光光谱整体呈衰减变化主要集中在400～700 nm波段;老空水荧光光谱的两个波峰所对应的波长保持不变,并未随着温度变化发生漂移,两个波峰处(472和493 nm)荧光强度减弱最明显,同时荧光强度减弱与温度升高存在较好的线性关系,荧光强度和温度在472 nm处拟合相关系数r2为0.91,在493 nm处的拟合相关系数r2为0.963 36;472 nm处的温度系数在20.0 ℃时达到最小值0.34%,493 nm处的温度系数在20 ℃时达到最小值0.81%,两处的温度系数均在20.0 ℃时达到最低值即荧光光谱在20.0 ℃附近最稳定;温度升高,老空水在荧光光谱在400～700 nm波段与温度轴包围的面积逐渐减小,400～700 nm波段谱图所对应的面积与温度的拟合相关系数r2为0.975 39即面积的减小与温度的升高有良好的线性关系。通过研究矿井老空水的温度特性,矿井老空水的激光诱导荧光光谱在20 ℃最稳定,在该温度条件下采用激光诱导荧光技术进行矿井水源的识别效果最佳,同时利用老空水波峰以及面积与温度的线性关系进行温度补偿可以进一步提升利用LIF技术进行矿井突水水源识别的灵敏度和精度,该研究对实现矿井老空水的快速、准确判别具有重要意义。     

单脉冲飞秒脉冲激光对单层和高反光学薄膜的损伤

用电子束蒸发的方法在BK7玻璃上制备了ZrO2单层膜和ZrO2/SiO2高反膜,利用掺Ti:sapphire飞秒激光系统输出的中心波长为800 nm,脉宽为50 fs的激光脉冲对这两种样品进行了激光损伤阈值测试.实验结果表明,ZrO2单层膜的阈值比ZrO2/SiO2高反膜的高;这与传统的纳秒脉冲激光的损伤情况相反.利用光离化和碰撞离化激发电子到导带,形成电子等离子体基本模型并对此现象进行了解释.同时,用显微镜对样品的损伤形貌进行了观测,对损伤的特点进行了表征.