基于Fokker-Planck方程的电介质材料短脉冲激光破坏机制分析

基于Pokker-Planck方程,建立一个描述短脉冲激光作用下电介质材料中导带电子能量分布随时间变化的模型,用数值方法计算电子能量分布与电子数密度随时间的演化过程,根据临界等离子体密度准则得到了不同激光脉冲宽度和波长下电介质材料（以SiO2为例）的破坏阈值。结果发现,尽管激光波长通过3种途径对材料破坏阈值的确定产生影响,但三者的共同作用导致在激光波长分别为1 060,800,532 nm时材料破坏阈值随脉宽变化曲线十分接近。讨论了碰撞电离、光致电离两种机制对材料激光破坏分别所起的作用：当激光脉宽大于1 ps时,碰撞电离对材料的破坏起主要作用;当激光脉宽小于1 ps时,光致电离对破坏阈值的影响越来越明显,但是碰撞电离仍然不可忽略,碰撞电离与光致电离同时起重要作用。     

短脉冲激光辐照下SiO2损伤微观机理简化模型

 从电子密度速率方程出发，建立短脉冲激光辐照下SiO₂材料中导带电子增长简化模型，计算了SiO₂中光致电离速率和电子雪崩速率，得到SiO₂激光损伤阈值与脉冲宽度的关系，计算分析了光致电离和碰撞电离两种电离机制在导带电子累积过程中的不同作用。结果表明：脉冲较长，碰撞电离几乎能提供全部的导带电子，激光损伤阈值与脉宽的0.5次方成正比；脉冲较短时，导带电子主要由碰撞电离产生，光致电离提供碰撞电离的初始电子，激光损伤阈值随着脉宽的减小，先增加后减小。     

短脉冲激光加工双温方程的优化运算

为研究双温方程中电子热传导项和电子与晶格耦合项对激光辐照物体表面温度场求解的影响,对这两项施加了约束条件。由于飞秒和亚皮秒激光与物质相互作用时间短,电子与晶格来不及耦合,所以对耦合项施加时间约束;根据相分离条件(CPPS),对热传导项施加空间约束。利用有限元方法建立了激光烧蚀金属铜膜表面的有限元模型。通过分析双温方程中热传导项和耦合项对计算结果的影响,发现短脉冲激光与铜金属相互作用过程中电子与晶格耦合项可以忽略,而传导项不可忽略。求解适当激光功率下的双温方程,得到了激光作用中心电子与晶格在不同脉冲宽度激光辐照下的温度变化关系。根据100 fs激光作用后晶格温度场的空间分布情况,研究了激光作用的相分离区域、相爆炸区域以及熔融区域的分布情况。     

超短脉冲激光在电介质材料中传输及破坏深度微观理论计算

基于Fokker-Planck方程和激光传输方程建立超短脉冲激光在电介质材料中的传输及材料破坏理论模型,计算材料内不同位置处导带电子数密度及激光电场强度随时间的变化,进而得到激光的反射率、透射率及沉积率随激光能量密度的变化特征.选取导带电子数密度阈值作为材料破坏的判断条件,计算了不同激光能量密度下的破坏深度,发现破坏深度随激光能量密度的变化曲线呈现先增长后减小,讨论了激光能量沉积特性对破坏深度的影响.计算最大破坏深度随激光脉宽的变化发现,激光脉宽越短则最大破坏深度越小. 关键词： 超短脉冲激光 电介质材料 破坏深度 微观理论模型     

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。     

短、超短脉冲激光时间分布特性的几种测量方法

本文介绍几种短、超短激光脉冲的测试方法。     

脉冲激光诱导的薄片反冲塞破坏分析

基于空间轴对称热弹性理论和最大剪应力强度理论,建立了脉冲激光辐照下薄片发生反冲塞破坏的一个理论模型,导出了薄片反冲塞的激光功率密度阈值条件。以空间均匀分布的ms级脉冲激光辐照铜薄片为例进行了理论计算和数值模拟,给出了激光功率密度阈值随薄片厚度线性增加的关系,得到了与文献中相应实验结果基本一致的薄片反冲塞破坏的激光功率密度阈值数据。     

脉冲激光诱导的薄片反冲塞破坏分析

 基于空间轴对称热弹性理论和最大剪应力强度理论，建立了脉冲激光辐照下薄片发生反冲塞破坏的一个理论模型，导出了薄片反冲塞的激光功率密度阈值条件。以空间均匀分布的ms级脉冲激光辐照铜薄片为例进行了理论计算和数值模拟，给出了激光功率密度阈值随薄片厚度线性增加的关系，得到了与文献中相应实验结果基本一致的薄片反冲塞破坏的激光功率密度阈值数据。     

150 fs~10 ps脉宽下熔石英激光损伤的仿真与分析

基于约化电子数密度增长速率方程,建立了熔石英导带电子数密度随脉冲持续时间变化的模型。利用电子数临界密度这一概念,得到了150 fs~10 ps脉宽下,熔石英激光损伤阈值范围。分析表明,5~10 ps,雪崩电离仍然起主要作用,而光致电离提供的初始电子使雪崩电离不再依赖材料原有的初始电子;当脉宽减小到约为4 ps时,光致电离与雪崩电离作用相等;之后,光致电离起主要作用。通过仿真出的损伤阈值拟合,得到了该脉宽区间下新的脉宽定律：熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.38次方;考虑温度对熔石英损伤阈值的影响,熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.34次方。     

1.06μm连续与脉冲激光对GaAs材料的联合破坏效应

通过1.06μm连续激光和脉冲激光联合破坏GaAs材料的实验研究, 给出了GaAs材料在三种不同的连续激光功率密度辐照下, 所需脉冲激光的破坏阈值, 结果表明, 联合破坏时所需脉冲激光的破坏阈值小于单独使用脉冲激光的破坏阈值。根据轴对称二维热模型, 计算了三种情况下连续激光辐照时GaAs材料的表面温度分布曲线及表面辐照中心处温升随辐照时间的关系, 并估算了其后作用的脉冲激光对材料的温升, 对实验及计算结果进行了分析, 并着重比较了联合破坏方式和单独破坏方式的优缺点。     

单发大口径光束下介质膜损伤阈值测试

针对传统的激光诱导损伤阈值测试中存在的耗时问题,提出了一种利用单发次、大口径光束的介质膜损伤阈值的快速测定方法。该方法以图像处理为基础,通过坐标变换和栅格压缩,建立了样品辐照区域内损伤分布与光斑强度分布之间的精确对应关系。基于对大口径光斑辐照区域内损伤信息的快速提取和统计方法,通过单次激光辐照,获取了待测区域的损伤阈值。根据此方法搭建了单发大口径光束损伤阈值测试平台,并对HfO2/SiO2高反射膜损伤阈值进行了单发次测定的验证。     

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.     

Eigentheory of the inhomogeneous Fokker-Planck equation

Ambiguities that occur in the existing eigentheory of the inhomogeneous Fokker-Planck equation are resolved. The eigenfunction expansion is shown to be identical to the known exact solution, generalizing an earlier result for the space-homogeneous case.Work partially supported by the NSF.     

提高多层介质膜脉宽压缩光栅阈值的清洗方法

采用HPM溶液（盐酸、双氧水和去离子水的混合液）结合氧等离子体对多层介质膜脉宽压缩光栅进行清洗研究。用X射线光电子能谱检测光栅表面的元素成分及其原子含量的变化。实验结果表明,氧等离子体处理能有效去除光栅表面残留光刻胶和碳氟化合物; 再经HPM溶液清洗,反应离子束刻蚀和氧等离子体处理过程产生的金属污染物被进一步去除。经过上述清洗工艺处理后,光栅一级衍射效率仍保持在95%以上,光栅表面激光诱导损伤阈值达到1.6 J/cm2 (1053 nm, 10 ps)。实验结果说明了氧等离子体和HPM溶液相结合能有效清洗多层介质膜脉宽压缩光栅,并显著提高光栅损伤阈值。     

Exact solutions of a Fokker-Planck equation

Exact explicit solutions are given for a one-dimensional Fokker-Planck equation with a particular potential form involving hyperbolic functions. This potential contains four arbitrary parameters that can be chosen so that the potential is bistable. The solutions also contain parameters that can be chosen so that the initial distribution is approximately Gaussian, centered either at the unstable potential maximum or in the neighborhood of the secondary minimum. The use of the solutions to approximate solutions for other potentials is considered.     

纳秒激光诱导石英光纤端面损伤特性研究

实验研究了石英光纤的纳秒激光诱导损伤行为.实验条件下全部为光纤端面损伤,按照损伤形貌可以分为坑状损伤、熔融损伤和溅射损伤三类.提出了光纤端面损伤的判断方法和损伤阈值的测试方法,通过线性拟合得出实验条件下石英传能光纤的零概率损伤功率密度阈值为3.85GW/cm².总结了光纤端面损伤的过程,分析了激光诱导光纤端面损伤机理,指出光纤端面的杂质缺陷是造成光纤抗激光损伤能力下降的内因.因此,通过改善光纤端面质量还可较大程度提高光纤传输激光能量.实验发现光纤注入端面损伤点几乎全部发生在端面中心区 关键词： 激光诱导损伤 高峰值功率 光纤传能 损伤阈值     

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。     

CO2激光扫描辐照修复熔石英表面损伤

采用振镜系统结合10.6 m的CO2激光,对熔石英表面损伤点进行辐照,成功地修复了直径500 m的大尺寸损伤点,损伤修复后表面无烧蚀残留,损伤内部完全愈合,无气泡和残余裂纹。和定点修复方式相比,这种修复具有修复尺度大、面形影响区域小、应力分布范围小的优势。80%扫描辐照修复的损伤点的初始损伤阈值恢复甚至超过了基底的初始损伤阈值。