熔石英损伤修复坑下游光场调制的数值模拟与实验研究

系统研究了熔石英激光损伤修复后的形貌特征,根据测量数据建立了典型的损伤修复坑三维模型,利用标量衍射理论并结合快速傅里叶变换算法研究了修复坑在351 nm激光辐照下游光场调制的分布规律.研究表明,修复坑引起的光场调制会使得下游不同距离位置处出现环形光场增强区和轴上位置光场增强点;环形光场增强区位置距离修复元件较近,其环形调制极大值主要受修复坑深度的影响,且随修复坑深度的增大而逐渐增加;轴上位置光场增强点位置距离修复元件较远,其轴上调制极大值主要受修复坑边缘凸起高度的影响,且随凸起高度的增大而快速增加;环形调制极大值或轴上调制极大值增大的同时,其分布位置与修复元件之间的距离均会逐渐减小.实验验证表明,利用三维修复坑模型得到的下游光场调制数值模拟结果与实验测量结果具有较好的一致性.本研究结果对控制熔石英元件损伤修复形貌特征以抑制调制增强效应给出了具体的控制方向,对修复工艺的改进与完善提供了非常有意义的参考.     

裂纹或气泡对熔石英损伤修复坑场调制的近场模拟

建立了含有裂纹或气泡的高斯型修复坑的3维模型, 用3维时域有限差分方法研究了熔石英后表面该类缺陷对355 nm入射激光的近场调制. 研究表明, 裂纹的调制明显大于气泡或者高斯坑本身, 因此为了抑制修复元件的初始损伤, 应尽量避免任何未修复的裂纹存在, 尤其是与入射光呈夹角约25°的裂纹, 同时应避免尺寸大于5 λ 的气泡存在. 当裂纹或气泡位于近表面层3 λ 以内且靠近修复坑环边缘时, 对场的调制最明显. 随着侧移的增加, 近表面区缺陷诱导场叠加, 强点总数涨落较大且易形成极大峰值, 特别是含有裂纹的情形; 远表面区强点总数逐渐增大并趋于稳定. 随着嵌深的增加, 强点的数目大体呈减弱趋势, 当嵌深大于3 λ 时, 逐渐趋于平缓振荡. 如果裂纹或气泡位于坑点正下方几个波长内, 激光辐照下其效果相当于延长了高斯坑的深度.     

熔石英亚表面修复形貌对光场的调制

基于标量衍射理论, 计算了熔石英亚表面高斯型修复形貌对于光场的调制，用Matlab对结果进行了仿真并与实验结果进行了比较。所得结果表明，二者有较好的一致性, 一定尺度的高斯面型修复形貌会对光场产生调制，且调制度随光场传输位置变化，通过适当选择后续光学元件位置，可降低光场调制造成光学元件损伤的风险。     

形状与位置对断点划痕场分布的影响研究

用3维时域有限差分方法分别研究了在355 nm入射激光作用下, 熔石英后表面具有不同形状 和位置的断点划痕对场分布的影响.研究表明,对于椭圆状的坑点, 当共线的轴长逐渐 增大时, 电场幅值与强点数目先增大后减小, 获得最大光强增强因子的两轴 比是1.1-1.2, 此时坑点呈近圆形. 当平行的轴长逐步增大时,电场幅值先逐渐增大, 当两轴比为0.53时趋于平缓, 而强点总数则呈"J"形曲线不断增长. 当坑点尺寸相同 但排放位置不同时, 相邻坑点的相对面积愈大, 调制愈强.     

线偏振光和圆偏振光下ZrO_2和Al_2O_3陶瓷材料的飞秒激光烧蚀性能

将不同脉冲数的飞秒激光作用于陶瓷材料表面,研究了线偏振和圆偏振激光对氧化锆和氧化铝陶瓷材料烧蚀阈值的影响,利用光学显微镜和扫描电子显微镜分析了烧蚀坑表面形貌,利用激光扫描共聚焦显微镜确定了烧蚀坑深度.结果表明:两种材料在线偏振光下的饱和烧蚀阈值均小于在圆偏振光下的值;当偏振态相同时,氧化锆饱和烧蚀阈值小于氧化铝.随脉冲数增加,线偏振和圆偏振光下氧化锆烧蚀坑表面结构均由无序向有序发展,出现了周期性环形波纹结构和纳米孔洞阵列.与线偏振光相比,圆偏振光对烧蚀坑深度的作用更明显,且烧蚀坑表面形貌对能量密度变化比较敏感,更容易产生周期性结构.     

表面状态对强流脉冲电子束辐照诱发金属表面熔坑的影响

 为了考察材料晶体学特性对表面熔坑形成机制的影响,利用强流脉冲电子束（HCPEB）对喷丸前、后的304奥氏体不锈钢进行表面辐照处理,对HCPEB诱发的表面熔坑形貌进行了详细的表征。实验结果表明,HCPEB辐照后样品表面形成了大量的火山状熔坑,熔坑数密度和熔坑尺寸随电子束能量的增加而减小,材料表面的杂质或夹杂物容易成为熔坑的核心,并在熔坑形成的喷发过程中被清除,起到净化表面的作用。此外,喷丸前、后样品表面熔坑数密度遵循相似的分布规律,喷丸处理使熔坑数密度显著增大,表明材料的晶体学特性对表面熔坑形成有重要的影响,晶界、位错等结构缺陷是熔坑形核的择优位置。     

膜层对熔石英表面损伤修复点光调制性能调控研究

针对CO2激光修复熔石英表面损伤点后得到的修复点(简称损伤修复点)产生的光调制问题,重点研究损伤修复点在镀增透膜前后的形貌及光调制的变化规律,探讨修复点深度、宽度等形貌因素对SiO2胶体在修复点坑内沉积的影响,以及对光调制效应的影响.研究结果表明:胶体材料在损伤修复点坑内具有明显的富集效应,可有效改善损伤修复点的形貌尺...     

基于U型结构的单模光纤SPR折射率传感器

设计了一种基于U型结构的单模光纤表面等离子体共振折射率传感器,采用在移除部分包层并弯曲成U型固定后的单模光纤表面镀金纳米层和TiO2调制层的方式,实现表面等离子体共振的激发.利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,研究了不同弯曲半径和TiO2调制层厚度对传感性能的影响.通过对四种弯曲半径(R=0.3cm,0.5cm,0.8cm,1cm)的分析,结果表明随着弯曲半径增大,表面等离子体共振信号强度增大且峰值波长有微小的蓝移.在弯曲半径为0.5cm的条件下,研究了TiO2调制层厚度从0变化到40nm对传感器性能的影响,结果表明随着TiO2调制层厚度增大,表面等离子体共振峰峰值波长红移且对外界折射率变化的灵敏度显著增大.在弯曲半径为0.5cm,TiO2调制层厚度为40nm的条件下,传感器在低折射率区(nd=1.333)灵敏度达到了5 959nm/RIU,高折射率区(nd=1.383)灵敏度达到了11 092nm/RIU.与没有调制层的结果相比,灵敏度提高了一倍左右.     

染料聚合物工艺母盘刻录坑形对读出信号调制幅度的影响分析

与光刻胶工艺相比,染料聚合物工艺母盘刻录的光盘坑形有很大区别。在已知文献中对坑点形貌与读出信号关系的研究结果已不再有效。使用基于角谱分解的衍射理论,利用原子力显微镜得到的坑形,对两种工艺光盘的调制幅度参数进行了仿真。仿真结果表明,对染料聚合物工艺而言,在较小的深度和宽度下能获得与光刻胶工艺光盘相当的调制幅度。对实际光盘几何尺寸和电信号参数的测试结果证明了仿真结果的正确性。     

液滴在粗糙固体表面上的铺展特性

本文建立了粗糙固体表面上液滴铺展过程的理论模型并采用了格子Boltzmann方法进行数值模拟,研究了粗糙与光滑表面上液滴铺展过程的形貌变化。研究结果表明,无论表面光滑还是粗糙,液滴都沿着半径方向逐渐铺展,整体首先呈帽形,随着时间的推移,液滴在表面铺展成一平面。粗糙表面与光滑表面铺展特性间的差异主要在于粗糙表面液滴受到粗糙元干扰,其铺展形状随时间推移由圆形向八边形过渡.粗糙元间隙的增大导致液滴润湿半径增大,液滴厚度沿半径方向变化梯度降低。     

Study on incident laser modulation using surface micro-defects on KH₂PO₄ crystal

KH2PO4 crystal is a crucial optical component of inertial confinement fusion.Modulation of an incident laser by surface micro-defects will induce the growth of surface damage,which largely restricts the enhancement of the laser induced damage threshold.The modulation of an incident laser by using different kinds of surface defects are simulated by employing the three-dimensional finite-difference time-domain method.The results indicate that after the modulation of surface defects,the light intensity distribution inside the crystal is badly distorted,with the light intensity enhanced symmetrically.The relations between modulation properties and defect geometries(e.g.,width,morphology,and depth of defects) are quite different for different defects.The modulation action is most obvious when the width of surface defects reaches 1.064 μm.For defects with smooth morphology,such as spherical pits,the degree of modulation is the smallest and the light intensity distribution seems relatively uniform.The degree of modulation increases rapidly with the increase of the depth of surface defects and becomes stable when the depth reaches a critical value.The critical depth is 1.064 μm for cuboid pits and radial cracks,while for ellipsoidal pits the value depends on both the width and the length of the defects.     

KDP晶体前表面修复轮廓的光强调制能力影响

在高功率激光系统中,精密微机械修复是减缓磷酸二氢钾(KDP)晶体表面缺陷增长的有效方法,使用精密微铣削机床可以加工出球面型与高斯型修复轮廓。为得到最优的修复结构参数,建立了晶体前表面球面型与高斯型修复轮廓的电磁场有限元模型,通过改变轮廓的宽度、深度等参数,对两种修复轮廓的光强调制能力进行对比研究。仿真结果表明光强调制能力主要是由修复轮廓的衍射效应及入射光在修复界面处的二次入射所引起的干涉作用共同决定;针对初始损伤点,建议采用宽深比大于5的修复轮廓,从而有效提高KDP晶体表面缺陷点的激光损伤阈值,对于宽深比大于10的修复轮廓建议选用高斯型;对宽1000μm,深20μm的两种修复表面的激光损伤实验表明,高斯型修复轮廓具有较高的抗损伤能力,实验与仿真结果相一致。     

熔石英后表面坑点型划痕对光场调制的近场模拟

建立了坑点型划痕的旋转抛物面模型, 用三维时域有限差分方法研究了熔石英后表面坑点型划痕随深度、 宽度、 间距以及酸蚀量变化对波长λ =355 nm入射激光的调制.研究表明, 这类划痕调制最强区位于相邻两坑点的连接区, 且越靠近表面调制越强.当其宽深比为2.0---3.5、 坑点间距约为坑点宽度的1/2时, 可获得最大光场调制, 最大光强增强因子(LIEF)为11.53; 当坑点间距大于坑点宽度时, 其调制大为减弱, 相当于单坑的场调制.对宽为60δ (δ =λ/12), 深和间距均为30δ的坑点型划痕进行刻蚀模拟, 刻蚀过程中最大LIEF为11.0, 当间距小于300 nm时, 相邻坑点由于衍射形成场贯通.     

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.     

Study of modulation property to incident laser by surface micro-defects on KH2PO4 crystal

KH₂PO₄ crystal is a crucial optical component of inertial confinement fusion. Modulation of an incident laser by surface micro-defects will induce the growth of surface damage, which largely restricts the enhancement of the laser induced damage threshold. The modulation of an incident laser by using different kinds of surface defects are simulated by employing the three-dimensional finite-difference time-domain method. The results indicate that after the modulation of surface defects, the light intensity distribution inside the crystal is badly distorted, with the light intensity enhanced symmetrically. The relations between modulation properties and defect geometries (e.g., width, morphology, and depth of defects) are quite different for different defects. The modulation action is most obvious when the width of surface defects reaches 1.064 μ. For defects with smooth morphology, such as spherical pits, the degree of modulation is the smallest and the light intensity distribution seems relatively uniform. The degree of modulation increases rapidly with the increase of the depth of surface defects and becomes stable when the depth reaches a critical value. The critical depth is 1.064 μ for cuboid pits and radial cracks, while for ellipsoidal pits the value depends on both the width and the length of the defects.     

HF酸刻蚀提升熔石英亚表面划痕抗损伤性能的机理

用HF酸刻蚀熔石英元件,研究刻蚀对元件后表面划痕的形貌结构及损伤性能的影响,探索损伤阈值提升的原因.时域有限差分算法理论计算结果表明:对于含有50nm直径氧化锆颗粒的划痕,对入射光调制引发场增强的最大值是入射光强的6.1倍,且最强点位于划痕内部氧化锆颗粒附近,而结构相同但不含杂质的划痕引发的最大场增强为入射光强的3.6倍,最强区位于划痕外围;HF酸刻蚀能够有效去除划痕中的杂质,改变划痕结构,增加其宽深比值,经刻蚀的划痕对入射光调制引发场增强降低到入射光强的2.2倍.实验结果表明,经过深度刻蚀的划痕初始损伤阈值较刻蚀之前提高一倍多;光热弱吸收测试仪测试刻蚀后划痕对1 064nm激光的吸收最大值仅为230ppm.HF酸刻蚀同时可以提升元件整体损伤阈值,由于元件上无缺陷区域损伤阈值随刻蚀的深入先增加后降低,因此HF酸刻蚀应进行到元件损伤阈值提升到最大值为止.     

HF酸刻蚀提升熔石英亚表面划痕抗损伤性能的机理

用HF酸刻蚀熔石英元件,研究刻蚀对元件后表面划痕的形貌结构及损伤性能的影响,探索损伤阈值提升的原因.时域有限差分算法理论计算结果表明:对于含有50 nm直径氧化锆颗粒的划痕,对入射光调制引发场增强的最大值是入射光强的6.1倍,且最强点位于划痕内部氧化锆颗粒附近,而结构相同但不含杂质的划痕引发的最大场增强为入射光强的3.6倍,最强区位于划痕外围;HF酸刻蚀能够有效去除划痕中的杂质,改变划痕结构,增加其宽深比值,经刻蚀的划痕对入射光调制引发场增强降低到入射光强的2.2倍.实验结果表明,经过深度刻蚀的划痕初始损伤阈值较刻蚀之前提高一倍多;光热弱吸收测试仪测试刻蚀后划痕对1 064 nm激光的吸收最大值仅为230 ppm.HF酸刻蚀同时可以提升元件整体损伤阈值,由于元件上无缺陷区域损伤阈值随刻蚀的深入先增加后降低,因此HF酸刻蚀应进行到元件损伤阈值提升到最大值为止.     

Generation of relativistic intensity pulses at a kilohertz repetition rate

By using adaptive optics to correct the wave-front distortion of a 21-fs, 0.7-mJ, 1-kHz laser, we are able to focus the pulses to a 1-mum spot with an f/1 off-axis parabolic mirror. The peak intensity at the focal position is 1.5x10(18) W/cm(2) , which is to the authors' knowledge the first demonstration of generating relativistic intensity at a kilohertz repetition rate.     

Incident laser modulation of a repaired damage site with a rim in fused silica rear subsurface

Local CO2 laser treatment has proved to be an effective method to prevent the 351-nm laser-induced damage sites in a fused silica surface from exponentially growing, which is responsible for limiting the lifetime of optics in high fluence laser systems. However, the CO2 laser induced ablation crater is often surrounded by a raised rim at the edge, which can also result in the intensification of transmitted ultraviolet light that may damage the downstream optics. In this work, the three-dimensional finite-difference time-domain method is developed to simulate the distribution of electrical field intensity in the vicinity of the CO2 laser mitigated damage site located in the exit subsurface of fused silica. The simulated results show that the repaired damage sites with raised rims cause more notable modulation to the incident laser than those without rims. Specifically, we present a theoretical model of using dimpled patterning to control the rim structure around the edge of repaired damage sites to avoid damage to downstream optics. The calculated results accord well with previous experimental results and the underlying physical mechanism is analysed in detail.