超快激光制备金属表面微纳米抗反射结构进展

材料表面抗反射性能在太阳能利用、光电子产品、红外传感和成像、军事隐身、以及航空航天等领域均具有重要应用价值。文中对材料表面抗反射特性的重要用途、人工实现路径、表面抗反射结构的研究现状及存在的问题等做了详细的论述。目前,国内外学者已经利用碳纳米管涂层和硅表面针状纳米结构实现了优异的超宽波谱抗反射性能。但迄今为止,金属表面微纳米结构的抗反射能力仍有很大的改善空间。作者所在的清华大学材料学院激光加工研究团队运用新一代高功率高频率超快激光,在金属表面制备出多种类型的特征微纳米结构,对其抗反射性能进行系统研究,实现了紫外-可见、紫外-近红外、紫外-中红外与紫外-远红外分别为2%、6%、5%和8%的超宽光谱超低反射率,并且在0~60入射角度范围内无明显变化。进一步在微纳米结构基础上发展了宏-微纳-纳米线多级多尺度复合结构,在16~17m波长处的总反射率低至0.6%,在14~18m波长处总反射率不超过3%。上述优异超宽光谱抗反射性能预期具有良好应用前景。     

纳秒级宽带KrF激光时间脉冲整形

对纳秒级宽带KrF激光脉冲的时间整形进行了研究。采用受激布里渊散射(SBS)脉冲压缩KrF激光获得短脉冲,通过脉冲堆积获得KrF激光时间整形脉冲。利用激光放大器对整形脉冲进行放大,对KrF激光整形脉冲的形状影响较大。通过对放大前整形脉冲形状的调整,在放大后可以得到所需形状的整形脉冲,一次放大能量输出可达50 mJ,二次放大能量输出可达300 mJ。理论分析与实验结果一致。研究表明,短脉冲堆积和放大器放大的组合方案具有较强的整形能力。     

MOPA结构的单频纳秒脉冲全光纤激光器

报道了一台主振荡功率放大(MOPA)结构的单频脉冲光纤激光器。对线宽为20kHz、工作波长为1064nm的连续单频激光进行强度调制,得到了平均功率为0.5mW的单频脉冲种子激光。首先,采用三级掺Yb光纤放大器将种子激光进行预放大,获得了2.7W的平均功率。然后,以纤芯直径和内包层直径分别为30μm和250μm的双包层掺Yb光纤为主放大器,在抽运光功率为87.1W时,获得了重复频率为12MHz、脉宽约10ns、峰值功率为486.7W的单频脉冲激光输出,平均功率达58.4W。     

仿生蛾眼抗反射结构成像系统研制

仿生蛾眼是一种具有抗反增透效果的微纳米结构,该结构采用化学沉银方法制作了随机分布的双面仿生蛾眼抗反射纳米结构透镜,平均透射率在97%以上。分析了相同参数组合条件下周期蛾眼结构和随机蛾眼结构的透射率情况,得出在设计波段内,随机蛾眼结构透射率优于周期结构的结论。采用蛾眼透镜进行相关参数的计算,利用CODE V平台设计了一款全蛾眼成像镜头。该蛾眼系统焦距为25.5 mm,F数为5,视场角13,光谱范围400～700 nm。经过成像对比试验显示,蛾眼镜头相比常规镀膜镜头而言,对鬼像、边缘眩光等杂散光具有很好的抑制作用。     

亚波长纳米结构宽波段抗反射特性

研究了玻璃(折射率n=1.52)表面周期性台阶结构的宽波段抗反射特性.利用等效媒质理论,对单台阶和二台阶结构进行了参数设计,并用严格耦合波理论对设计的台阶结构进行了入射光波长、入射角的反射效率、反射级次特性分析计算.研究结果表明:当亚波长纳米结构的周期低于周期阈值时,随着入射波长的增加只有零级衍射;台阶层数的增加,可增...     

带宽极限下的宽带平面反射阵天线设计

平面反射阵是由金属贴片单元组成的二维阵列,一般用喇叭馈源进行馈电,通过谐振贴片单元的相移量补偿馈源到平面反射阵的空间相位延迟。平面反射阵天线的优势在于主波束指向灵活可控。但由于阵列单元自身的带宽限制和反射机理所致,其主要缺陷是工作带宽窄。在讨论空间相移对天线性能的影响的基础上,设计了一种相位线性变化达500°的新型反射阵单元。用该单元组阵的平面反射阵天线,其1 d B带宽达到25.3%,与传统平面阵结构的天线带宽相比,具有显著的改善。     

一种可免用光隔离器的抗反射同轴激光器TO-CAN

文章提出了一种不用光隔离器即可提高器件抗反射性能的抗反射同轴激光器TO-CAN(晶体管外形封装), 该TO-CAN集成了半导体激光器的电/光信号转换功能和抗反射功能,采用现有的贴片工艺和粘胶工艺,通过在底座TO-Header(晶体管外形头)上面安装激光器芯片、偏振片和λ/4波片而制成,理论分析和实验结果都验证了该方案的有效性和实用性.     

蓝宝石红外窗口抗反射浮雕结构研究

采用相应技术,在红外材料表面制成的亚波长浮雕结构能实现红外波段的减反功能.在恶劣环境中,红外窗口采用该结构代替红外减反膜能够提高其抗蚀、抗冲击等性能.通过等效媒质理论设计亚波长浮雕单元结构,采用光刻及离子蚀刻方法完成蓝宝石材料表面浮雕结构制作,经测试红外透过率整体提高大约10%.经分析,浮雕结构的周期、占空比、单元深度等因素都对减反结果影响很大.     

有机/无机杂化SiO2/Si光波导薄膜的制备及表征

采用有机/无机杂化溶胶-凝胶(sol-gel)法制备了SiO2光波导薄膜材料.采用甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MAPTMS)作为反应先躯体,四丙氧基锆(ZPO)作为调节折射率的材料,正丙醇(n-propyl alcohol)为溶剂,利用旋涂方法在Si基片上成膜,采取低温长时间、高温短时间的热处理方式,制备出无龟裂薄膜.分别采用棱镜耦合仪和原子力显微镜(AFM)研究了不同溶剂量和不同ZPO量情况下,薄膜的折射率、厚度以及表面形貌变化情况.研究结果表明:通过调节正丙醇的用量,可以实现薄膜厚度可控;通过调节ZPO的用量,可以实现薄膜折射率可控;薄膜的表面平整度非常好,在5μm× 5μm的扫描范围内,表面粗糙度小于0.430 nm,表面起伏度小于0.656 nm.     

凸面锗窗口亚波长抗反射结构的设计与制备

红外光学成像系统的灵敏度与光学窗口透射率密切相关,锗窗口是红外光学系统的常用窗口,在锗窗口上制备亚波长结构可以增强抗反射性能从而提高透射率,且常选择凸面窗口以获得更大的视场角。针对在曲面窗口上亚波长结构的制备工艺较为复杂的难题,本文运用柔性紫外纳米压印方法（soft UV-NIL）,在凸面锗窗口表面高效、高质量地制作了亚波长抗反射结构。首先基于时域有限差分方法优化设计了亚波长抗反射结构参数,然后基于soft UV-NIL工艺制备了符合设计要求的亚波长结构。测试结果表明,在3.55～5.55μm波长范围内,凸面锗窗口单面平均透射率由65.81%提升到78.68%,在波长为4.4μm处,透射率由65.85%提升至83.13%,实现了中红外宽波段抗反射效果。     

多功能光纤端面激光宽带减反射膜的应用研究

在光学系统中,设计了一种新型的近红外光纤宽带激光减反射膜,应用波段为800~1300 nm,能够同时适用于多波段大功率半导体激光器并具备较高损伤阈值。通过选择合适的光学材料,利用TFCalc软件仿真,调整最佳的工艺参数,采用热蒸发式真空镀膜机及RF离子源辅助沉积的方法,解决了小口径光纤端面的清洁和低温镀膜时膜层的牢固性等问题,实验采用Agilent CARY6000i型光波测量系统对镀膜后的样品进行光谱分析,实验结果显示,该减反射膜在800~1300 nm平均透射率为99.2%。分别用单管808 nm、980 nm和1064 nm半导体激光器为光源测得多模光纤镀膜后的输出功率较镀膜前均有明显提高。该膜层有效地提高了大功率半导体激光器与光纤的耦合效率具有更好的应用价值和实用意义。     

用于高功率激光放大器的单层宽谱增透膜

为了获得用于高功率激光放大器的单层宽带增透膜,采用有机聚合物聚乙烯吡咯烷酮掺杂调控二氧化硅胶体生长制备了粒度分布更宽广的稳定胶体体系,通过提拉镀膜工艺,制备了单层增透膜。采用粒度仪和粘度仪监测胶体的性质,用分光光度计测量了膜层透过率,并用X射线能谱分析了膜层结构。结果表明,聚乙烯吡咯烷酮引入胶体中使得胶体粒度分布更宽,所得膜层具有折射率渐变特性,因而膜层具有宽带增透的效果;膜层在550nm~950nm连续波段内透射率不低于99%。单层宽谱增透膜层不需后处理就可投入使用,膜层性能稳定,满足了激光装置片状放大器的运行要求。     

纳秒脉冲激光清洗石化设备对清洗表面的影响

采用纳秒脉冲激光对石化设备普遍使用的20钢表面锈蚀层以及油污进行了激光清洗试验,通过正交实验法得到优化后的激光清洗工艺参数,在激光功率18 W,激光脉冲重复频率75kHz,扫描速度3 000mm/s的清洗工艺参数下可有效去除20钢表面的锈蚀层;在激光功率20 W,激光脉冲重复频率75 kHz,扫描速度2 250 mm/s的清洗工艺参数下可有效去除20钢表面附着的油污。分析了激光清洗前后材料表面形貌的变化,研究了激光清洗前后表面的显微硬度以及耐腐蚀性,结果表明：激光清洗可以在不改变材料的耐腐蚀性能的同时提升材料表面的显微硬度,从而达到理想的激光清洗效果。     

Optimization of broadband omnidirectional antireflection coatings for solar cells

Broadband and omnidirectional antireflection coating is generally an effective way to improve solar cell efficiency, because the destructive interference between the reflected and incident light can maximize the light transmission into the absorption layer. In this paper, we report the incident quantum efficiency η_in, not incident energy or power, as the evaluation function by the ant colony algorithm optimization method, which is a swarm-based optimization method. Also, SPCTRL2 is proposed to be incorporated for accurate optimization because the solar irradiance on a receiver plane is dependent on position, season, and time. Cities of Quito, Beijing and Moscow are selected for two- and three-layer antireflective coating optimization over λ = [300, 1100] nm and θ = [0°, 90°]. The η_in increases by 0.26%, 1.37% and 4.24% for the above 3 cities, respectively, compared with that calculated by other rigorous optimization algorithms methods, which is further verified by the effect of position and time dependent solar spectrum on the antireflective coating design.     

Asymmetric quantum well broadband thyristor laser

A broadband thyristor laser based on InGaAs/GaAs asymmetric quantum well (AQW) is fabricated by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). The 3-μm-wide Fabry-Perot (FP) ridge-waveguide laser shows an S-shape I-V characteristic and exhibits a flat-topped broadband optical spectrum coverage of ~27 nm (Δ_-10 dB) at a center wavelength of~1090 nm with a total output power of 137 mW under pulsed operation. The AQW structure was carefully designed to establish multiple energy states within, in order to broaden the gain spectrum. An obvious blue shift emission, which is not generally acquired in QW laser diodes, is observed in the broadening process of the optical spectrum as the injection current increases. This blue shift spectrum broadening is considered to result from the prominent band-filling effect enhanced by the multiple energy states of the AQW structure, as well as the optical feedback effect contributed by the thyristor laser structure.     

脉冲数目和重复频率对纳秒激光推进的影响

以抛物形点聚焦激光推进器模型为研究对象,数值模拟了脉冲重复频率在2~50Hz范围内吸气式多脉冲纳秒激光推进的流场演变过程,分析了脉冲数目和重复频率对推进性能的影响。结果表明:随着脉冲数目的增加,喷管内气体密度减小、温度升高,导致平均冲量耦合系数下降,但纳秒脉冲激光作用获得的平均冲量耦合系数明显高于微秒脉冲激光;相同脉冲数目条件下,随着脉冲重复频率的增大,流场恢复时间缩短,使得流场状态不能及时恢复,导致平均冲量耦合系数下降,其中脉冲重复频率f10 Hz时的下降趋势明显大于f10 Hz。     

Fabrication of biomimic GaAs subwavelength grating structures for broadband and angular-independent antireflection

We combine interferometric lithography and inductively coupled plasma etching to fabricate GaAs subwavelength grating (SWG) which mimics the moth eye structures. Through the modification of morphology parameters, including profile, height and packing fraction, tapered, high-aspect-ratio and closely-packed GaAs SWGs are obtained. The measurement of spectral reflectance of the fabricated SWGs shows that reflection has been dramatically reduced compared to the polished GaAs surface. Particularly, the optimized SWG structures exhibit an average reflection below 5% in the wavelengths ranging from 350 to 900 nm. Furthermore, the angular-independent property is demonstrated by measuring the reflectance versus varying angles of incidence at 532 and 632.8 nm wavelengths.     

界面层对激光减反膜的影响研究

激光技术的发展对减反膜提出了超高透过率的要求,基板的表面特征在高精度减反膜的设计与制造中不可忽略.选择熔融石英为基板,Ta2O5和SiO2为高低折射率膜层材料,针对在0 °入射角下工作的532 nm激光减反膜进行设计与分析,得到膜层内的电场分布.在模拟计算中将基板的表面粗糙度等效为等比例混合膜,计算分析了理想设计条件下...     

高能纳秒激光烧蚀单晶硅的微观结构

高能纳秒激光烧蚀硅时,往往会伴随着相爆炸过程,它决定了烧蚀的形貌特征。基于相爆炸的物理过程,分析了相应的烧蚀形貌：相爆炸的发生会使得硅材料发生大范围的去除,高温熔化材料的混合物向外喷溅,冷却形成放射状的冷却条,期间分布着冷却的球状微粒;超热液体的去除部位形成一个类似花瓣状坑,在坑中由于入射光与散射光的干涉形成条纹,其周期与激光光波相似。     

纳秒激光雕刻柱塞表面工艺参数研究

采用纳秒激光在压裂泵柱塞表面进行激光雕刻实验,考虑激光功率、扫描速度、烧结次数、移动路径4种工艺参数,借助白光干涉仪获得雕刻后的织构三维形状及其几何尺寸,对比分析各工艺参数对织构体积的影响。研究结果表明:增加激光功率可以显式提高柱塞表面织构的体积;激光扫描速度对织构体积的影响程度随速度的增加而降低;适当增加烧结次数可以实现对烧蚀体积微弱修正;采用弓形路径相比环形路径所获得的烧蚀体积增量较大。