HF酸腐蚀熔石英表面激光损伤增长研究

用3%浓度的HF酸对熔石英表面刻蚀一个波长后,在三倍频激光条件下对损伤尺寸与激光辐照次数的关系进行了测试分析.实验使用波长为355nm,脉宽为10ns,频率为3Hz的Nd:YAG调Q激光器测试系统.测试结果表明,在一定的激光参数(脉宽、波长和能量)下,每个点的损伤尺寸在一定的辐照次数以后基本不再发生变化.当从激光损伤开始发生到损伤尺寸基本不再变化,损伤点的横向直径与激光辐照次数基本呈指数增长关系.     

不锈钢膜对激光诱导熔石英表面损伤的影响

在高功率激光系统中,对于光学元件的激光损伤阈值和损伤增长的研究意义重大。采用磁控溅射方法在熔石英基片上镀12 nm厚的不锈钢膜,使用椭偏仪和紫外-可见光分光光度计测量其厚度和透过率,分别使用S-on-1和R-on-1方法测量样品损伤阈值,比较后证明S-on-1测量方法较为科学。使用S-on-1方法进行激光损伤增长实验,发现损伤点横向尺寸和纵向深度随辐照次数均以e指数形式变化,且相比洁净熔石英基片,样品损伤点横向尺寸损伤增长因子高出41%,样品损伤点纵向深度损伤增长因子高出39%。在激光辐照一定发次后,损伤点纵向深度继续增长,损伤点横向尺寸增长速度不断减缓,最终停止增长,此时样品损伤点横向尺寸与纵向深度比逐渐下降。     

Stainless steel film's contamination effects on laser-induced damage to fused silica surface

在高功率激光系统中,对于光学元件的激光损伤阈值和损伤增长的研究意义重大.采用磁控溅射方法在熔石英基片上镀12 nm厚的不锈钢膜,使用椭偏仪和紫外-可见光分光光度计测量其厚度和透过率,分别使用S-on-1和R-on-1方法测量样品损伤阚值,比较后证明S-on-1测量方法较为科学.使用S-on-1方法进行激光损伤增长实验,发现损伤点横向尺寸和纵向深度随辐照次数均以e指数形式变化,且相比洁净熔石英基片,样品损伤点横向尺寸损伤增长因子高出41％,样品损伤点纵向深度损伤增长因子高出39％.在激光辐照一定发次后,损伤点纵向深度继续增长,损伤点横向尺寸增长速度不断减缓,最终停止增长,此时样品损伤点横向尺寸与纵向深度比逐渐下降.     

1064nm激光和355nm激光同时辐照DKDP晶体的耦合预处理效应

为了研究DKDP晶体在惯性约束核聚变(ICF)装置应用中的多波长激光诱导损伤特性,建立了1064 nm激光和355 nm激光同时辐照DKDP晶体的损伤测试装置,分析了不同激光能量密度组合下的损伤针点形貌、密度、尺寸和损伤概率。结果表明,当355 nm激光以R-on-1方式辐照样品,并加入不同能量密度的1064 nm激光时,随着1064 nm激光能量密度的升高,测试样品的抗激光损伤性能得到改善,损伤针点形貌逐渐与1064 nm激光单独作用时的损伤形貌类似,损伤针点密度减小,损伤针点尺寸增大,整体上表现出耦合预处理效应。     

表面杂质和节瘤缺陷诱导薄膜元件热熔融损伤

在高功率激光系统中,光学薄膜元件表面杂质和体内节瘤缺陷是导致薄膜元件损伤的关键因素。通过建立强激光连续辐照下光学薄膜元件的热分析模型,分析在不同激光辐照时间和功率密度下,表面杂质和节瘤缺陷对光学薄膜元件损伤的影响及其规律。结果表明,在强激光连续辐照下,当表面杂质粒子尺寸处于一定范围内时,随着杂质粒子尺寸的增大,薄膜元件上的最高温度随之升高,且大而浅的节瘤缺陷种子对膜层的温升影响较大。随着激光功率密度的提高和激光辐照时间的增长,表面杂质造成薄膜元件热熔融损伤的粒子尺寸范围越大,节瘤缺陷造成薄膜元件热熔融损伤的种子深度和尺寸范围也越大。     

CO_2激光辐照对熔石英表面形貌与应力分布的影响

采用不同光斑直径的10.6μm CO2激光束对熔石英表面损伤进行辐照处理。实验发现,对于50μm以下的损伤点,单发激光脉冲辐照即可使得激光损伤阈值恢复到基底完好区域的水平,对于在50~300μm之间的损伤点,采用低功率较长时间辐照后逐渐增加功率修复的方式可以彻底消除材料内部更深的裂痕。对不同尺寸光斑辐照后的应力分布研究表明,激光束尺寸、激光功率和激光作用时间是影响材料体内应力分布的主要因素,相比较而言,激光尺寸对应力分布的影响更为明显。对前后表面损伤分析表明,当辐照区域置于入射面时,辐照带来的微小环状凸起会造成后表面环形调制损伤,是损伤的最薄弱环节,当辐照区域置于后表面时,烧蚀主要影响阈值的整体提升。     

激光辐照光学材料热力效应的解析计算和损伤评估

光学元件的损伤是高功率激光技术发展的一个瓶颈，为此以连续CO2激光辐照K9玻璃为例，研究了连续激光辐照光学材料的热力损伤机理。通过积分变换方法，求解热传导和热弹性力学方程组，由此得到激光辐照引起的温度场和热应力场的瞬态分布。研究中发现在高斯光束作用下，热扩散长度的概念不再适用，因此通过曲线拟合方法，推导出最大热应力的位置与辐照时间的关系，并由此计算出材料的损伤阈值。由于K9玻璃的应力损伤阈值小于熔融损伤阈值，因此当激光作用引起的环向热应力大于材料的抗拉强度时，材料发生永久性损伤，损伤形态为拉伸解理。将理论模型的相关结论与实验结果相对比，两者吻合得很好。     

脉冲激光大光斑辐照空间碎片冲量耦合特性研究

开展了脉冲激光大光斑辐照空间碎片冲量耦合特性研究,即激光烧蚀光斑尺寸略小于碎片尺寸下的冲量耦合特性,对比实验研究了平面状碎片在激光大光斑辐照和小光斑辐照下的冲量耦合特性,以及大光斑辐照下光斑尺寸和形状因素对冲量耦合特性的影响规律,并结合实验研究结论验证了理论研究的合理性。研究结果表明:相同激光功率密度下小光斑辐照比大光斑辐照的冲量耦合系数高;大光斑辐照下冲量耦合系数主要受激光功率密度影响,光斑尺寸对冲量耦合系数的影响较小;采用大光斑辐照下冲量耦合系数的理论计算结果更接近于实验结果。上述实验研究成果对激光辐照不规则空间碎片理论研究具有一定的实验指导意义。     

1064nm激光多脉冲下HfO2/SiO2高反膜损伤规律

利用小口径元件损伤测试平台对HfO2/SiO2高反膜的1 064 nm激光多脉冲损伤规律进行了研究。研究结果表明:多脉冲作用下HfO2/SiO2高反膜损伤在形态上主要分为色斑和层裂两类,在一定条件的多发次脉冲作用下,色斑损伤存在向层裂损伤转换的趋势;层裂损伤尺寸随脉冲发次呈指数递增后趋于极大值的变化规律,且终态尺寸与辐照激光能量密度呈近似线性关系;色斑S-on-1损伤阈值与脉冲发次关系不明显,而层裂S-on-1损伤阈值随脉冲发次增加呈指数衰减后趋于极小值的变化规律。采用衰减公式拟合手段,对元件抗损伤能力退化规律进行了初步的定量分析。     

熔石英表面损伤修复点上气泡特征及控制方法的研究

损伤修复点上的气泡是诱导修复点在激光辐照下再次损伤的主要因素,研究了蒸发式和非蒸发式两种损伤修复方式在修复过程中产生的气泡的类型和特征。结果表明,无论哪种修复方式在修复过程中得到的气泡都可以分为球形和非规则椭形气泡两种类型,且气泡的类型与损伤点周围裂纹的形状和尺寸有极大关系。损伤考核结果表明,修复点的损伤阈值会随着气泡数量的增加而呈指数递减趋势变化。讨论了在修复过程中控制和消除气泡的方法和措施,给出优化的处理参数。     

几种金属结构材料的激光冲击损伤形貌特性实验研究

激光冲击是一种以高功率脉冲激光辐照金属材料的新型表面改性处理技术。课题组通过对铝、钛和不锈钢这三种典型的金属结构材料,在有水约束层和记号笔涂层作保护层的情况下,进行激光冲击对比试验,获得强激光冲击作用下金属结构材料的损伤特性,并定量分析了激光冲击次数与金属材料表面凹坑深度的关系,结果表明凹坑深度与冲击次数呈线性关系且斜率与金属材料的屈服强度成反比。为了探究激光冲击光斑形貌对于金属材料损伤的影响,我们还对比了方斑和圆斑的冲击情况。     

激光辐照下光学薄膜元件温升的有限元分析

实验测量了波长1 064 nm,10 kHz高重复频率激光辐照下镀制Ta2O5/SiO2多层膜的 K9、石英玻璃、白宝石高反膜元件温升变化.有限元分析的结果与实验结果相一致.用ANSYS程序计算了不同基板、空气对流系数及基板尺寸对激光辐照中心点温度的影响.结果表明:白宝石基片的薄膜元件激光辐照点的温度最低,其次是石英,K9玻璃基片的薄膜元件激光辐照点温度最高.空气对流系数在大光斑或长时间辐照时对激光辐照点温度影响较大,在小光斑或短时间辐照时对激光辐照点温度影响甚微,可忽略不计.基板越厚,基板直径越大,激光辐照中心点温度越低,基板直径比厚度更能影响激光辐照中心点温度变化.     

高重复频率DPL 激光对光学薄膜元件损伤实验研究

光学薄膜的高重频激光损伤特性一直是激光薄膜研究者的重点。为了分析光学薄膜在高重频激光辐照下的损伤特性,探究其损伤机理,文中从实验出发,研究了重复频率10 kHz DPL 激光对光学薄膜元件的损伤特性。结果表明,修正膜层内的驻波场分布,降低膜层内高折射材料中的驻波场峰值可以提高高重频激光损伤阈值;从激光损伤形貌与辐照激光功率的关系上看,在高重频激光辐照下光学薄膜元件的损伤实质上是热效应和场效应共同作用下产生的微损伤累积放大所造成的。当薄膜吸收率较小时,损伤主要表现为场效应所致的微损伤累积放大,当薄膜吸收率较大时,损伤主要表现为热效应所致的微损伤累积放大。     

波段外脉冲激光对锗材料热冲击效应的数值研究

强激光辐照锗材料可造成材料的破坏.对波段外脉冲激光辐照锗材料进行了理论研究,建立了激光辐照锗材料的热力耦合数学物理模型,对热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,对不同能量密度下波段外激光辐照锗材料的瞬态温度场和应力场分布进行了数值模拟计算,得到了材料最易损伤的位置和材料的损伤阈值以及锗材料的损伤阈值与激光参数之间的关系.分析结果表明:热应力损伤在锗材料的脉冲强激光损伤中占据主导地位,锗材料出现热应力损伤的激光能量密度小于出现熔融损伤的激光能量密度,应力损伤主要集中在光斑中心区域并体现为压应力损伤.     

强激光辐照7075铝合金热响应与材料尺度律关系研究

为了明确金属板受激光辐照产生的热响应与材料尺度律之间的关系。采用数值模拟和实验相结合的研究方法,开展了不同尺度律下7075铝合金板在波长为1064 nm的连续波激光辐照下的热响应研究。首先利用COMSOL有限元软件建立了金属板在连续激光辐照下的数值模型,得到不同尺度律的铝合金板的温升过程;之后开展同尺寸实验验证,对比数值仿真数据。研究结果表明:在等效时间内,不同尺度律模型温升过程一致;实验数据与仿真结果趋势相似,各尺度律下仿真与实验相对误差均小于17 %。该研究结果对于强激光辐照效应的应用与研究具有一定价值。     

CO2激光对氧化钒成像设备干扰实验研究

随着红外成像技术发展,非制冷氧化钒探测器在多个领域得到了应用,其在激光辐照下的热效应如何,也成为了当前研究方向之一。本文首先分析了氧化钒成像探测器结构和工作原理。其次开展了激光辐照饱和及点损伤条件下,106μm脉冲激光辐照氧化钒成像设备实验。在激光辐照饱和条件下,光斑中心像元出现饱和现象,激光辐照结束后,该像元响应较辐照前增加了约20个灰度;该像元周围像素出现了环状异常,非均匀性校正后探测器恢复正常;在激光辐照点损伤条件下,出现了圆环干扰效应,光斑中心像元出现了损伤,即使非均匀性校正也无法恢复;给出了相应激光功率密度。根据实验结果,对衍射效应进行了仿真,指出衍射、探测器热效应及热量“溢出”是导致探测器像元异常像素数大于辐照光斑的原因。本文对非制冷氧化钒探测器研制及干扰效应研究具有重要参考意义。     

重频激光辐照半导体损伤的有限元分析

在考虑到材料热力学参数随温度变化的前提下,以热传导方程和热弹方程为基础,采用有限元分析算法,考查了200ns脉宽、1064nm波长重频激光辐照下,半导体材料InSb体内的温升和热应力分布,分析了由温升效应所致该材料的损伤破坏类型,探讨了热熔融损伤和热应力损伤阈值随光斑尺寸、脉宽、重复率、脉冲次数等的变化规律。     

KDP晶体激光预处理参数的优化

KDP 晶体是目前高功率激光装置中倍频材料的首选,元件上架前通常采用激光预处理来提高抗激光损伤性能,由于预处理流程耗时较多,提升预处理效率对于工程应用具有重要意义。研究了激光预处理参数对 KDP 晶体材料损伤性能的影响,通过分析激光辐照通量、辐照发次、能量台阶等预处理参数与元件损伤性能的变化关系,发现在一定通量范围内用不同的能量台阶可以获得同样的预处理效果,由此确定采用变能量台阶的方法对预处理参数进行优化。实验证明,采用此方法可以在保证预处理效果的前提下,将总的激光辐照发次缩减三分之一,结果对于大口径 KDP 晶体元件的激光预处理工艺具有重要参考价值。     

Nd:YAG连续激光辐照铝合金旋转抛物面的温度效应

为了研究激光推进中激光作用反射面后的温度效应,采用自行设计的温度测量系统对不同激光功率辐照下的旋转抛物面铝合金靶的表面温度进行了测试,得到了不同条件下温度-时间关系曲线。结果表明,激光吸收率随激光入射角的增大而增大;罩面上的表面温度与位置相关,自辐照点至径向各点上的温度符合高斯分布,激光辐照点与其它各点呈现明显不同的升温和降温特点;激光辐照停止约数秒后,旋转抛物面表面上各点的温度趋于一致,之后按同一种热扩散方式和降温曲线变温。     

Nd:YAG连续激光辐照铝合金旋转抛物面的温度效应

为了研究激光推进中激光作用反射面后的温度效应,采用自行设计的温度测量系统对不同激光功率辐照下的旋转抛物面铝合金靶的表面温度进行了测试,得到了不同条件下温度-时间关系曲线.结果表明,激光吸收率随激光入射角的增大而增大;罩面上的表面温度与位置相关,自辐照点至径向各点上的温度符合高斯分布,激光辐照点与其它各点呈现明显不同的升温和降温特点;激光辐照停止约数秒后,旋转抛物面表面上各点的温度趋于一致,之后按同一种热扩散方式和降温曲线变温.