极紫外光源参数对极紫外辐照损伤测试系统聚焦光束性能的影响

实验研究了放电频率、电脉冲能量、碎屑缓冲气体流量等极紫外光源参数对极紫外辐照损伤测试系统聚焦光束性能的影响。测试结果表明:极紫外辐照损伤测试系统焦深为±1.5 mm;聚焦光斑尺寸及单脉冲能量随光源电脉冲能量的增大而明显增大,受光源放电频率影响较小;典型工作条件下,光斑尺寸在0.79～1.44 mm之间,聚焦光束单脉冲能量在112.09～436.06μJ范围内;在200 Hz、5.0 J时聚焦光束单脉冲能量最高为436.06μJ,聚焦光束单脉冲能量密度最高达到31.53 mJ/cm~2,在1500 Hz、4.6 J时聚焦功率密度达32.87 W/cm~2;最优缓冲气体Ar气工作气压为1～2 Pa,此时聚焦光束单脉冲能量最优。该测试研究可为极紫外辐照损伤测试研究中系统参数优化及设置提供指导参考。     

离焦量对铝合金表面激光除漆损伤特性的影响

飞机激光除漆时铝合金基体保护及除漆效率与材料损伤阈值密切相关,而激光离焦量的变化将直接改变材料的损伤阈值,以及除漆效率。采用ISO 11254 1-on-1激光损伤阈值测试方法研究不同离焦量时的铝合金和漆层的损伤阈值,对激光单脉冲光斑的二维、三维形貌进行分析,将理论值与实测值得到的不同离焦量时的损伤凹坑直径及深度进行验证。结果表明：随激光离焦量增加,光斑面积增大的同时材料损伤阈值下降,可有效提升能量利用率及除漆效率;实际单脉冲作用的材料凹坑深度随离焦量的增大而减小,且面积增大;凹坑深度、凹坑直径的理论值、实测值具有较好的相关性,并从激光材料作用机理角度对其误差进行了解释说明。     

激光诱导光纤损伤可持续利用技术

研究了光纤损伤对光纤传能特性的影响.由小到大注入激光能量时,光纤端面偶尔会产生微弱火花并出现微小坑状损伤,但并不影响光纤的注入耦合效率.当光纤端面发生等离子闪光后出现了比较严重的灾难性损伤,光纤输出端激光能量明显下降.光纤端面损伤降低了激光注入耦合效率,从而导致光纤传输效率下降.建立光纤端面损伤理论模型,由于光纤端面损伤引起的注入激光能量损失与损伤面积的对应关系,当注入激光光斑能量为高斯分布时,注入激光能量损失率与损伤面积成负指数关系.实验结果还表明光纤端面损伤存在增长效应.通过实验研究和理论分析证明了提出的光纤损伤后仍可持续利用设想的可行性,它为高功率光纤传输系统设计,特别是单脉冲激光点火或起爆系统的设计提供了新的思路.     

光学薄膜激光损伤阈值测量不确定度

光学薄膜的激光损伤阈值是评价其激光耐受性能好坏的一个重要指标。对薄膜激光损伤阈值的准确评价和测定,是判断其激光耐受性能和进行相互比对的基础。通过对激光损伤阈值测试系统误差的溯源分析和计算机模拟,给出了优化测试系统的方向。研究结果表明:在激光光斑确定的情况下,激光能量越高,能量密度的误差越大。因此在满足需要的情况下,应该尽可能选取较低的激光能量。在激光能量确定的情况下,存在一个临界光斑,当小于临界光斑时,能量密度误差变化非常剧烈,光斑越小,能量密度误差越大。测试系统的激光光斑大于临界光斑时系统的误差较小,小于临界光斑时系统的误差急剧变大。因此,在激光损伤阈值测试系统中,应该优选临界光斑或者大于临界光斑。激光损伤阈值拟合产生的最大误差为最大能级的激光能量误差,因此要尽可能降低激光器的脉冲能量。由此可见,设计合理的系统参数,可以最大程度降低测量结果的不确定度。     

薄膜激光损伤阈值标定技术

为了满足薄膜激光损伤阈值客观、准确、高精度测量的要求, 提出了损伤阈值标定技术。通过互换两个能量探测器位置的试验标定方法, 消除分光镜的分光误差和能量探测器的测量误差, 获得准确的辐照能量。再通过调整两个CCD位置获得相同光斑尺寸的测量方法标定被测样品表面与光斑面积测量面的等效, 并剔除激光光斑中非平顶部分, 获得准确的辐照光斑面积。最后采用最小二乘法对计算得到的能量密度及其对应的损伤几率进行拟合, 获得损伤阈值。通过对TiO₂/SiO₂高反射膜1064nm激光辐照测量实验, 得到23.0164J/cm2的薄膜激光损伤阈值。结果表明, 采用标定技术使薄膜激光损伤阈值的测量精度提高了9.26%, 满足高精度的测量要求。此研究有助于薄膜激光损伤阈值的准确标定。     

光学元件的激光损伤阈值测量

激光损伤阈值的准确测量是研究高抗激光损伤光学元件的必要条件.分析了激光诱导损伤阈值的不确定度来源,包括激光能量测量、光斑有效面积测量、各能量密度处几率的计算以及对损伤几率点进行直线拟合4个方面.利用统计学原理和线性拟合等理论对不确定度分量及测试结果的相对合成不确定度进行了理论推导和计算.1 064 nm高反薄膜样品的实例分析表明,损伤阈值测量的相对合成不确定度为18.72%.     

355 nm紫外激光在硅晶圆上标识二维码的工艺研究

利用紫外纳秒标识系统对硅晶圆表面进行二维码直接标识试验研究。采用控制变量法，分别研究不同的脉冲占空比、重复频率、光斑重叠率对标识材料的热损伤、表面形貌以及二维码识读效果的影响规律。研究结果表明，脉冲占空比和重复频率对标识区域的环宽和热损伤影响效果明显，二维码的读取率和识读时间同时受占空比、重复频率、光斑重叠率影响。单脉冲能量在10.7～20μJ范围内可以标识出符合SEMI标准的均匀、细腻、稳定、高识读率的无尘标识。     

非线性光学共轭补偿的数值模拟

提出了一种成像取样加阈值共轭的闭环补偿方案,并进行了室内模拟湍流和室外500 m实际大气的补偿实验,结果表明成像取样加阈值共轭的闭环补偿方案是可行的.在有取样小孔时,补偿效果明显比没有取样小孔时更加稳定,能量集中度也更高. 本文采用相屏法进行数值模拟计算,计算结果得到:光束经1000 m传输进入相位共轭镜,相位共轭光束沿原路返回,计算在500 m处相位共轭光束受不同大气湍流强度的影响.弱湍流的条件下,在屏上观测到很好的光束质量,其能量集中度得到明显提高;当强湍流时,由于受到湍流的影响,使得进入相位共轭的光束具有若干个强度不等的光斑;没有取样小孔和无阈值共轭时,在屏上可观测到改善后的相位共轭光束仍具有若干个光斑;在有取样小孔和阈值共轭时,随着阈值的增加,虽然光束的总能量减少,但可以得到一个分布均匀的光斑,光束质量得到很好的改善,此光束可再经放大器放大,大大提高光束的能量集中度.(OB12)     

脉冲CO2激光损伤K9玻璃的实验与仿真

对脉冲CO2激光损伤K9玻璃进行了实验与仿真研究.采用输出脉宽为10μs的脉冲CO2激光器对K9玻璃样品进行激光损伤实验,并且建立了脉冲CO2激光损伤K9玻璃的理论模型,利用有限元法对K9玻璃样品中的温度和应力分布进行数值分析.研究表明,K9玻璃的损伤阈值为6.533 J/cm2;入射激光能量密度越高,样品的损伤程度就越大,并且多脉冲对样品的损伤程度明显大于单脉冲;在激光能量较强的情况下,K9玻璃表面在光斑区域内形成熔融损伤和由压缩应力造成的应力损伤,在光斑区域外围则形成由环向拉伸应力造成的应力损伤,仿真分析结果与实验结果吻合良好.     

多脉冲激光的微弱信号探测能力分析研究

激光测距雷达方程分析表明,多脉冲的包络总能量与脉冲能量相等单脉冲具有相同的测距能力。由偏振分束,增加两路光的光程,再由偏振合束的方法以及根据再生放大的特性,实现单个脉冲、双脉冲、四脉冲的2 kHz重复频率及等功率的532 nm皮秒多脉冲输出,以上海天文台千赫兹卫星激光测距系统为平台,实现各多脉冲下的卫星激光测距。分析卫星回波的有效点数,以及各脉冲的回波叠加后的精度,结果表明各输出方式的有效回波点数基本接近,精度与单脉冲的误差小于1 mm,验证了多脉冲总能量与脉冲能量相等单脉冲具有相同的测距能力。多脉冲相对单脉冲能够更好地提高整个脉冲包络的能量,增大激光测距的脉冲发射能量,有利用微弱信号激光的探测。     

靶面激光光斑尺寸原位测量的研究

提供了一种简便易行的靶面激光光斑尺寸原位测量的方法。从高斯光束的横向光强分布特性出发,建立了激光烧蚀斑半径与辐照激光能量、光斑尺寸、烧蚀阈值间的关系式,模拟分析发现辐照激光光斑尺寸对烧蚀斑半径随辐照能量变化曲线有较大影响。对于脉宽为2 ms,波长为1064 nm的激光,实验测量了不同能量激光辐照下相纸烧蚀斑半径,并用推导出的关系式拟合测量数据,获得了靶面处光斑尺寸和样品烧蚀阈值。同时,也测量了不同位置处的光斑尺寸和样品烧蚀阈值,对高斯光束束腰位置和样品烧蚀阈值的光斑尺寸效应进行了验证。研究结果表明该技术结果可靠,简单高效。该技术可以为高能激光与固体物质相互作用的基础研究和激光加工等应用领域中实现简单方便地测量靶面光斑尺寸提供帮助。     

S-on-1测量方式下薄膜激光损伤的累积效应

为了研究薄膜激光损伤机理及影响因素,基于平顶光束辐照测量的原理,采用1064nm的Nd:YAG激光器,对电子束热蒸发方式镀制的HfO₂薄膜在重复频率激光作用下损伤的累积效应进行了理论分析和实验验证。运用损伤阈值的测量原理,分析了1-on-1和S-on-1两种测量方式的特点,并分别开展了测量实验。采用二分法查找辐照激光能量,每个能量密度辐照20个测试点,应用零几率损伤阈值和最小二乘法拟合确定测量结果。结果表明,对同种薄膜,1-on-1测量方式测得的损伤阈值为15.75J/cm2,S-on-1测量方式测得的损伤阈值为11.90J/cm2;从损伤阈值与损伤形貌两方面的对比表明,S-on-1测量方式体现了典型的累积效应。此结果对深入研究薄膜激光损伤的机理和影响因素具有重要意义。     

远场激光光斑图像处理方法研究

常用的基于高斯光束特性的激光光斑图像处理算法,处理远场光斑图像会丢失部分能量较低的光斑数据,致使处理出的光斑能量密度低端精度不能达到0.01J/cm2的需求。为了得到更精确的远场激光光斑数据信息,提出了基于噪声特性的激光光斑图像自动阈值处理算法。该算法在分析系统噪声特性的基础上,依据3原则确定图像提取阈值进行光斑图像处理。通过试验验证了该算法既能够有效抑制系统噪声,又能够改善光斑图像的处理质量,恢复光斑图像丢失的数据信息,使光斑能量密度低端达到探测需求。结果表明,基于噪声特性的光斑图像处理算法能够有效提高远场激光光斑的处理精度,更适用于远场激光光斑图像的处理。     

脉宽及重频对HgCdTe探测器损伤阈值影响分析

为了研究脉宽及重频对HgCdTe探测器损伤阈值影响,采用有限元法对HgCdTe红外探测器进行2维建模,以及激光辐照探测器温度场的仿真,得到了波段内外脉宽从10ns~1000ns的单脉冲激光损伤阈值。由于采用实验测定所有脉宽激光损伤阈值的办法不现实,故通过仿真计算,给出了从ns~μs量级不同激光脉宽的单脉冲探测器损伤阈值公式。结果表明,波段外单脉冲损伤阈值为9MW/cm2~0.9MW/cm2,波段内为150MW/cm2~15MW/cm2,并且探测器单脉冲损伤阈值与激光脉冲宽度呈负指数关系;当采用重频激光辐照探测器时,在相同的重复频率下,因长脉冲激光比窄脉冲宽激的脉冲间隔小,故长脉冲激光辐照时更容易出现温度积累效应,从而出现大面积损伤。这为进一步研究探测器的热应力场热弹性波和激光防护等提供了重要的理论分析依据。     

脉冲激光对星载探测器的干扰和损伤分析

该文采用高斯光束辐照半无限固体的温升模型,研究了探测器表面温升与激光干扰和损伤阈值的变化关系。发现脉冲CO2激光对探测器的干扰和损伤与脉宽无关,只与脉冲能量密度有关,探测器表面温升与入射激光脉冲能量密度成正比关系,干扰阈值比损伤阈值要低一个数量级。通过理论分析,求出了干扰和损伤星载HgCdTe探测器所需CO2激光的脉冲能量。定性分析结果表明高平均功率重频脉冲激光更容易对星载探测器造成有效干扰和永久性损伤。     

激光点火过程的一维有限差分模拟

从激光点火的热机理出发,建立了激光点火过程的一维有限差分模型,并对B/KNO3/酚醛树脂点火药的激光点火特性进行了数值模拟。结果表明,随着入射激光能量水平、入射激光功率、入射激光能量密度、药剂激光吸收系数的减小,药剂的点火延迟时间延长 ;当入射激光能量水平接近点火能量阈值时,药剂表面温度的成长曲线出现双峰现象 ;点火功率阈值随着光束半径的增大而增大,随着脉冲宽度的增大而减小。模拟结果与实际激光点火过程的规律一致,与实验结果基本吻合。     

激光清洗轮胎模具表面橡胶层的机理与工艺研究

研究了运用脉冲激光清洗橡胶轮胎印字模具表面橡胶层的工艺参数与机理.结果表明,工艺参数适当时,脉冲激光能完全清洗模具表面而不损伤基体.激光清洗存在着清洗阈值和损伤阈值.在起始清洗阈值和完全清洗阈值之间,清洁率随着激光能量密度的升高而增大.在完全清洗阈值与损伤阈值之间,基体表面清洁率保持100%而且不受任何损伤.激光清洗橡胶的机理有二:一为激光产生的高温导致橡胶表层瞬间燃烧和气化;二为橡胶深层受热振动和激光脉冲的热冲击作用使铝片表面橡胶颗粒飞溅.