飞秒激光泵浦-探测热反射系统的建立与调试

建立了用来研究超快传热现象的飞秒激光泵浦-探测热反射系统.利用该系统测量并得到了在140fs(飞秒)超短脉冲激光加热下, 50 nm金膜的非平衡电子温升引起的反射信号随时间的变化曲线.由于加热光单脉冲能量密度只有5×10-3mJ/cm2,估算最高温升在10 K以内,这有效地减小了由丁物性参数随温度变化而引起的洪差.论文介绍了在系统的调试过程中,各种因素对实验结果的影响,并对实验结果及数据处理方法进行了讨论.     

表面热透镜技术测量光学薄膜样品表面热变形

给出了连续调制激励光照射下光学薄膜样品表面热变形场的理论分布,并由此定义了表面热透镜(STL)信号。根据表面热透镜理论实验测量了一个BK7基底高反膜样品的形变,给出了表面热透镜信号随调制频率的变化曲线。实验结果表明:在采用的STL实验构型中,探测了最小1.985 nm的直流形变,对应不调制时的形变为3.97 nm,相应的形变探测灵敏度达到了10 pm量级;直流形变与功率成线性关系;交流表面热透镜信号随着频率增大而减小,在高频端近似成线性减小。     

硅酸铅玻璃光敏性研究

采用四倍频的Nd∶YAG脉冲激光 (波长 2 6 6nm ,脉宽 10ns)对氧化铅摩尔分数在 0 3至 0 5的硅酸铅玻璃体样品进行照射 ,并对照射前后样品的折射率及紫外可见吸收光谱进行了测量。研究发现不同能量密度的2 6 6nm激光照射硅酸铅玻璃体样品 ,会使样品的紫外可见吸收光谱产生不同的变化 :当 2 6 6nm激光能量密度较高时 (15 0mJ/cm2 ) ,样品在可见区域的吸收系数明显增大 ,样品表面会产生褐色斑点 ;而当 2 6 6nm激光能量密度较低时 (5 0mJ/cm2 ) ,尽管累计剂量较大 ,样品表面无斑点产生 ,吸收系数稍有增加 ,而折射率下降明显 ,最大Δn =- 0 .2 5± 0 .0 4。对氧化铅摩尔分数为 0 4 3的硅酸铅玻璃用不同能量密度的 2 6 6nm激光进行照射 ,发现当激光能量密度大于某一阈值时 ,样品在可见区域的吸收系数突然增大 ,这可能是由于硅酸铅玻璃吸收 2 6 6nm激光能量导致局部温度升高而引起玻璃结构改变所致。     

应用于高性能光学薄膜表征的光热光声检测技术

本文介绍了光热与光声探测技术的基本原理,结合光学薄膜的吸收测试、光学薄膜的激光辐照特性表征、激光损伤特性表征以及光学薄膜的机械性质表征等各种具体应用,对激光量热法、光热偏转法、表面声波法等典型的光热、光声检测方法进行了分析;阐述了这些方法的测试原理以及各自优势与不足。介绍了该领域利用这些方法取得的一些成果,并就光声光热检测技术的发展趋势做了展望。     

退火氧压对YBa2 Cu3O7-x薄膜中的激光感生热电电压效应的影响

测量了在不同氧压下退火生长的YBa2 Cu3O7-x(YBCO)薄膜中的激光感生热电电压(LITV)信号,发现随退火氧压的增大可使LITV信号的峰值有2-4倍的增强,并且变化趋势与薄膜热电势的各向异性随氧含量的变化规律相同.波长在473-808 nm范围内的连续激光辐照,在5000 Pa的氧压下退火生长的YBCO薄膜中探测到的LITV信号最大;而紫外脉冲激光辐照时,IJTV信号的最大值出现在退火氧压为105 Pa的薄膜中.LITV信号的光响应时间随退火氧压的增大而减小.理论分析表明,这一结果是由于退火氧压的提高导致薄膜材料的热扩散系数增大所致.在退火氧压为5000 Pa的YBCO薄膜中探测到响应最快的LITV信号,对紫外脉冲激光的响应时间为78 ns,并且信号的上升时间只有29 ns,与激光的脉冲宽度(约为28 ns)相当.     

光学薄膜样品的温度场和形变场分析

通过积分变换理论上求解了光学薄膜样品在脉冲或方波调制激励光作用下的热传导方程和热弹方程,从而获得了样品在瞬态和稳态情况下对应的温度场和形变场.为验证所求解,将理论解析解的计算机模拟结果与有限元的分析结果在时域和空间域进行了比较,两结果获得了较好的一致性;同时讨论了温度,热变形随激励光的调制频率、光斑半径等参数的变化.讨论了此模型在测量光学薄膜样品吸收损耗和表面热变形中的应用. 关键词： 温度场 形变场 表面热透镜 有限元     

金属纳米薄膜微尺度热输运过程实验研究

本文应用飞秒激光泵浦-探测技术对金属纳米薄膜微尺度能量输运过程进行了研究.在此系统中,我们采用低能量密度泵浦光进行加热,测量了纳米金膜在一个脉宽为140fs的激光脉冲作用后,其非平衡电子温度在几个皮秒内随时间的变化.分别用一步抛物模型、两步抛物模型以及双相滞模型和实验结果进行了对比.结果表明,实验结果和两步抛物模型数值模拟结果吻合良好.     

土壤中机油激光诱导荧光信号随激发光能量变化的特性研究

石油的勘探开发遍布我国各地区,其产品的应用与工农业生产和人民日常生活密不可分。石油及石油制品在使用过程中泄漏到土壤中不断累积,会破坏生态环境。激光诱导荧光(LIF)是检测土壤中石油烃类有机污染物的重要方法。激光脉冲能量是LIF的重要实验参数,对检测灵敏度,稳定性有显著影响。为探究土壤中石油烃的激光诱导荧光信号随激发光脉冲能量变化的特性,以机油为例,在实验室制备了机油浓度为0.5%～6%的土壤样品,使用Nd∶YAG激光器作为激发光源,通过改变266 nm激光的脉冲能量,获取不同能量密度下油污土壤的荧光光谱。实验结果表明,土壤和土壤中机油的荧光光谱强度随激光脉冲能量的增加而增加,但增加到一定程度后增幅明显减小。原因是虽然激光能量密度逐渐增强荧光强度也在增强,土壤中单位面积的有机物含量有限,部分有机质已经被光解,有机物被激发的荧光趋于饱和。在适当的能量密度下,土壤中机油的荧光强度与其浓度有良好线性关系。实验发现,随着激光能量密度的减小, LIF系统测量机油的平均相对误差先减小后增大,其原因是,当激光能量密度小于一定范围时,信号的信噪比随之减小,因此测量的平均相对误差逐渐增大;当激光能量密度大于一定范围时,虽然信号的信噪比随之增大,但已经逐渐超出系统最佳的测量范围,所以测量的平均相对误差逐渐增大。当激光能量密度在2.4～4.0 mJ·cm~(-2)时,土壤中机油的荧光强度随激光脉冲能量密度线性增强,且对机油浓度的测量误差均小于2.5%,检测限在200～300 mg·kg~(-1)之间。当能量密度大于4.0mJ·cm~(-2)时,机油的荧光强度增幅显著降低,测量误差也随之增大。因此,兼顾LIF测量土壤中机油的平均相对误差和测量检测限,激光脉冲能量选择2.4～4.0 mJ·cm~(-2)较优。所述方法也可扩展其他土壤中石油烃荧光信号检测。     

单脉冲纳秒激光诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒脉冲激光(波长532nm)在空气中对单晶硅表面进行单脉冲辐照,研究了激光能量密度和光斑面积变化对微结构的影响。通过场发射扫描电子显微镜和原子力显微镜(AFM)对样品表征,并对纳秒激光辐照硅的热力学过程进行分析。结果显示:当脉冲激光的能量密度接近硅的熔融阈值且光斑直径小于8μm时,形成尖峰微结构;随着能量密度或光斑面积增大,尖峰结构消失,形成边缘隆起和弹坑微结构。通过流体动力学模型得到微结构形貌的解析解,模拟得到的微结构形貌与实验测得的AFM数据一致。研究表明微结构的形成主要是由于表面张力引起的熔融硅流动。表面张力与表面温度和表面活性剂的质量浓度有关。温度梯度引起的热毛细流作用和表面活性剂浓度引起的毛细作用共同影响下形成尖峰、边缘隆起和弹坑微结构。     

532 nm纳秒激光辐照下的单晶硅表面微结构及荧光特性

采用Nd:YAG纳秒脉冲激光对单晶硅在空气中进行辐照,研究了表面微结构在不同能量密度和扫描速度下的演化情况。扫描电子显微镜测量表明,激光在相对较低能量密度下辐照硅表面诱导出鱼鳞状波纹结构,激光能量密度相对较大时,诱导出絮状多孔的不规则微结构。光致荧光谱（PL）表明,激光扫描区域在710 nm附近有荧光发射。用氢氟酸腐蚀掉样品表面的SiOx后,荧光峰的强度显著降低,说明SiOx在光致发光增强上起重要作用。能量色散X射线谱（EDS）表明氧元素的含量随激光能量密度的增大而增加。研究表明:纳秒激光的能量密度和扫描速度对微结构形成起着决定性作用,改变了硅材料表面微结构尺寸,增大了光吸收面积; 氧元素在光致发光增强上起重要作用,微构造硅和SiOx对光致荧光的发射都有贡献。     

A self-consistent model for a SOA-based fiber ring laser including the mode-locked pulse properties

In this paper, we present a self-consistent model of an optically mode-locked semiconductor fiber ring laser. The fiber laser uses a semiconductor optical amplifier (SOA) as the gain medium, while mode-locking is achieved by its gain modulation, via an external optical pulsed signal. We solved the model analytically developing a novel technique, where we have assumed double saturation of the SOA by both the mode-locked and the externally introduced pulsed signal. The study revealed the locus of the laser parameters to achieve mode-locking. In particular, it was found that SOA gain and energy of the externally introduced signal are two critical parameters that must simultaneously set properly for exact mode-locking. Another outcome of our analysis is that the study of the chirp parameter should be carried out keeping the nonlinear terms of the SOA gain. We have also investigated a slightly detuning regime of operation that revealed a fast change of the mode-locking process.     

Time-dependent photothermal characterization on damage of fused silica induced by pulsed 355-nm laser with high repetition rate

Time-dependent damage to fused silica induced by high frequency ultraviolet laser is investigated.Photothermal spectroscopy(PTS) and optical microscopy(OM) are utilized to characterize the evolution of damage pits with irradiation time.Experimental results describe that in the pre-damage stage of fused silica sample irradiated by 355-nm laser,the photothermal spectrum signal undergoes a process from scratch to metamorphism due to the absorption of laser energy by defects.During the visible damage stage of fused siliea sample,the photothermal spectrum signal decreases gradually from the maximum value because of the aggravation of the damage and the splashing of the material.This method can be used to estimate the operation lifetime of optical elements in engineering.     

锁相热像方法实验测量Nb2O5薄膜吸收率

利用锁相热像方法定量测量了光学镀膜的吸收率。待测薄膜吸收周期调制的激光能量,在表面形成热波,将红外相机记录的热分布信号进行锁相相关处理,获得信噪比提高的热图像。采用标准吸收样品对系统进行定标,可获得光热信号幅度与样品吸收率之间的定量联系,进而在相同实验条件下测量待测样品,可通过光热信号直接计算获得其绝对吸收率。在1 060 nm波长处开展了实验研究,测量获得了不同厚度Nb₂O₅镀膜的吸收率数值,实测的吸收可达80 ppm。     

基于Fabry-Perot半导体激光器实现全光波长转换及其最优纵模选择

采用Fabry-Perot半导体激光器作为波长转换器件,利用半导体激光器内部的交叉增益调制效应,通过同时将脉冲信号光与连续探测光耦合到半导体激光器,实现了对波长为1552.62nm、重复速率为2.7GHz的光脉冲信号转换到波长为1548.23nm的连续激光,同时实现了脉冲时间抖动的抑制.实验发现,对于确定的半导体激光器及其工作参数,总存在一个固定的纵模,当探测光的波长与该纵模波长一致时可获得最高的波长转换效率和最大的消光比.理论分析了探测光与Fabry-Perot半导体激光器多纵模间的模式选择对波长转换效 关键词： 纵模选择 波长转换 注入锁定 交叉增益调制     

用共线光热偏转技术测量光学薄膜的微弱吸收

用具有高灵敏的共线光热偏转技术研究SiO_2、ZrO_2、MgF_2、ZnS等单层光学薄膜的吸收特性,测得它们的吸收率.实验结果与激光量热法及横向光热偏转技术符合良好,表明共线光热偏转技术是测量光学薄膜弱吸收的较理想方法.     

Photothermal deflection microscopy for imaging sub-micronic defects in optical materials

Photothermal deflection is widely used to study defects in optical coatings and role of these defects in laser damage. Because defects responsible for laser damage are assumed to be nanometer-sized and lowly absorbing, both high spatial resolution and high sensitivity are required to detect them. In this work we theoretically and experimentally explore the capability of collinear photothermal deflection to give micronic resolution by reduction of the pump beam diameter. Thanks to a model describing temperature distribution and photothermal deflection, we have studied the effects of pump beam focusing on photothermal deflection. Then, we have developed a high resolution, high sensitivity microscope based on the photothermal deflection of a transmitted probe beam. The setup is characterized and the theoretical predictions are checked. We present a test of lateral spatial resolution obtained on specially prepared absorbing resolution targets and show that a lateral spatial resolution of 1 μm is reached on non-isolated defects. In case of single defects, we expect that 10 nm sized defects could be detected.     

用横向光热偏转技术测量光学薄膜的微弱光吸收

用横向光热偏转技术(TPDS)测量光学薄膜的弱吸收,灵敏度达10~(-5).因为薄膜样品在调制频率较低时属热薄试样,本文基于这一原理实现了TPDS的精密定标.     

Non-destructive reading of laser-induced single-shot incubation in dielectric coatings

Two-dimensional photothermal displacement measurements were carried out on TiO₂, ZrO₂, and HfO₂ coatings to uncover single shot incubation produced by 248 nm laser light at fluences below the damage threshold. The incubation behavior of the three coatings differs and correlates with the ratio of band gap to photon energy. The non-destructive nature of the photothermal displacement technique, its high lateral resolution, and its sensitivity for reading single shot imprints by an excimer laser lends this scheme a capacity for use in optical storage.Alexander von Humboldt fellow 1991/92     

光学薄膜的温度场设计

提出了光学薄膜温度场的概念，研究分析了薄膜光学性质和热，物性质对其温度场的影响，给出了相变光盘薄膜和高功率激光反射膜的具体设计，还给出了相变膜的写入，擦除功率和激光反射膜的破坏阈值。     

光注入提高半导体激光器混沌载波发射机的带宽

外光反馈下的半导体激光器可视为混沌载波发射机.数值研究发现，外部强光注入可以显著提高混沌载波发射机的带宽，带宽提高的程度在一定范围内与注入光的强度成正比.当外部光注入系数k_inj=0.39时，混沌载波的带宽由无光注入时的2.7GHz增大到14.5GHz，提高了5倍多.研究还发现，在相同的注入强度条件下，当注入光的频率比半导体激光器的中心频率高2—4GHz时，可实现最大限度的带宽增强.此外，适当提高半导体激光器的偏置电流也可以在一定程度上提高其产生的混沌载波的带宽. 关键词： 半导体激光器 混沌 带宽