激光聚焦熔石英表面产生击穿的热力学效应分析

利用纳秒激光脉冲辐照熔石英玻璃产生击穿的方法,仔细观测了熔石英表面损伤的微观形貌,并基于激光击穿过程的热力学效应对损伤机理进行了研究。研究表明:激光脉冲能量的沉积主要是基于激光等离子体的逆韧致吸收效应,高温高压等离子体是导致熔石英玻璃损伤的主要因素;熔石英玻璃在击穿过程中伴随着温度升高、材料熔化、气化以及电离等过程,这些效应使得玻璃发生相变以及断裂,而冲击波效应会使得相变材料发生去除辐照区周围玻璃发生剥离而形成大范围的坑状破坏点。     

熔石英亚表面杂质对激光损伤概率的影响

基于Mie理论和热传导方程,结合ICP-OES对熔石英亚表面杂质粒子的主要成分测量,建立了计算吸收性杂质粒子诱导熔石英光学元件表面损伤概率的模型。通过该模型理论研究了不同种类的杂质粒子诱导损伤所需的临界能量密度随粒子尺寸的变化,以及不同尺寸分布的杂质粒子诱导熔石英表面的损伤概率。通过损伤实验测试获得了不同光斑尺寸的355 nm激光辐照作用下熔石英表面的损伤概率,与理论计算结果进行对比,在相同粒子分布参数下,分析了三种杂质粒子对损伤概率的贡献（Cu Al CeO2）。通过该模型能够分析光学基底或薄膜亚表面中不同潜在的杂质吸收性粒子对光学元件损伤概率的影响。     

三倍频激光下金属颗粒对熔石英元件损伤阈值的影响

高功率激光器中,金属颗粒作为元件表面污染的一种,对熔石英元件寿命的影响早已得到关注。为了定量得到金属颗粒对熔石英元件损伤阈值的影响,在中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜中心的标准损伤测试平台上,对未被污染的以及被3种不同金属颗粒(Al、Cu、Fe)污染的熔石英元件的损伤阈值进行了测量。研究发现,被金属颗粒污染的熔石英元件,损伤阈值会降低为原来的20%～30%;吸收系数高的金属颗粒更容易诱导损伤,损伤形貌与未污染的熔石英损伤形貌也有很大的差别;离线观测样品形貌,可以从微观的角度观察到损伤的概率行为。参考损伤的爆炸模型,粗略地模拟了温度随时间的变化。     

表面污染物诱导熔石英损伤的热力学数值模拟

为了研究高功率固体激光装置内污染诱导光学元件损伤问题,基于有限元数值方法,结合污染物诱导熔石英损伤机理,给出了熔石英样片在高功率脉冲激光辐照下的温度场和应力场分布.结果表明,激光脉冲辐照过程中主要以污染物的温度升高为主,最高至2800K,而样片温升不大,仅为7K;在激光脉冲辐照后100μs的时间内,样片表面中心快速升温...     

熔石英元件小尺寸集群损伤修复及检测技术 (特邀)

针对现有小尺寸集群损伤修复及检测技术仍不完善的问题,重点研究亚表面缺陷多模态原位检测方法,从损伤样件表面损伤数量和尺寸、典型小尺寸损伤的形貌、光热吸收、荧光面积等多项指标进行了系统测量和分析,并开展了磁流变修复研究。研究结果表明:熔石英小尺寸损伤内部的吸收性杂质是影响元件性能的主要因素,在磁流变缎带接触到损伤底部前,损伤的整体吸收和荧光分布呈上升趋势;高重频激光对磁流变修复后的损伤辐照过程是一个由慢变快、由杂质到本体、由边缘逐渐向外扩张的过程,能够有效对磁流变修复后的表面进一步起到修复作用,可作为组合修复工艺的第三道工序。研究结果对光学元件检测表征体系的构建提供参考。     

二维非球形粒子随机介质中光场的传输特性

研究了散射粒子形状改变对光波在二维随机介质系统中的传输情况的影响。基于整体散射效应模型,建立了非球形粒子作为散射粒子的二维随机介质的模型。构建了模型的Maxwell方程,采用非均匀网格划分的时域有限差分(FDTD)方法解Maxwell方程,得到了TM模在非球形粒子二维随机介质模型中的传输及空间分布。采用快速傅里叶变换(FFT)对仿真获得的数据进行频谱变换,得到光波在频域上的发射谱。与以往的研究相比较,仿真结果表明,在非球形粒子系统中,光波的电场强度与球形粒子系统中电场强度随着散射粒子浓度的增加而增加不同,而是出现振荡的现象;发射谱显示,非球形粒子系统的模式竞争强于球形粒子系统,更易于实现模式选择。     

3ω激光辐照下熔石英的损伤增长研究

对熔石英在三倍频激光条件下损伤尺寸与激光辐照次数的关系进行了测试分析。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。     

熔石英在HF酸腐蚀下的阈值表征

利用HF酸腐蚀熔石英样品实验,探讨了不同腐蚀时间条件下其表面抗激光损伤阈值的变化,对比了不同阈值表征方式对其结果的影响。结合损伤机理,发现采用50％损伤几率阈值更能反应样品阈值的变化趋势。对测试结果进行了不确定度分析,按国际标准得到的零几率损伤曲线的斜率在一定程度上可以反映测试结果的不确定度及样品表面缺陷密度的分布特征。     

皮秒激光在熔融石英中诱导微爆炸形成微腔的研究

介绍了皮秒激光诱导损伤的实验与理论研究。熔融石英置于硅基上,利用皮秒激光脉冲聚焦于硅与熔融石英的接触界面,在熔融石英内部诱导等离子体,并加工出微通道和微腔。在显微镜下观察,微通道和微腔的周围没有发现热裂纹,微腔的直径范围从1.5~5 μm。分析了损伤的形成机理,建立模型讨论微腔的形成机理和大小特征。石英吸收激光能量形成等离子体,等离子体的形成和膨胀将产生冲击波,并受到周围介质的限制,在一个很小的体积内诱导微爆炸,受限的微爆炸在材料内部形成微腔。最后分析了微腔的分布特征。