飞秒激光对多光谱滤波片的损伤阈值研究

为了测量飞秒激光对多光谱滤波片的损伤阈值, 采用钛∶蓝宝石飞秒脉冲激光(800nm、50fs)对多光谱滤光片的前膜进行了激光损伤阈值的实验研究, 并使用显微镜观测了滤光片前膜的损伤形貌。结果表明, 薄膜在不同脉冲辐照次数(1, 2, 5和10)下, 前膜损伤阈值分别为1.68J/cm2, 1.56J/cm2, 1.44J/cm2和1.42J/cm2, 随着脉冲辐照次数的增加, 损伤阈值降低, 激光脉冲的重复辐射会对薄膜形成累积效应; 由于飞秒激光的宽度极短, 薄膜导带电子由多光子电离产生, 并迅速吸收激光能量, 当其能量大于材料的带隙能时, 会与价带电子发生碰撞产生另一个电子, 进而形成大量的自由电子, 对薄膜造成损伤; 在1-on-1和2-on-1测试方法下, 随着飞秒激光能量密度的增加, 前膜损伤区域的轮廓越来越清晰、规整, 并逐渐出现清晰的分层现象, 这归因于前膜干涉场的分布不同。该研究对多光谱滤波光膜在飞秒激光作用下的损伤效果提供了参考。     

飞秒激光作用下薄膜的阈值损伤到膜层剥落

在飞秒单脉冲激光损伤HfO_2/SiO_2薄膜样品实验中,随着激光能量密度升高,膜层从缺陷导致的点损伤发展到整层剥落,损伤区域轮廓由模糊变清晰.研究表明,尺度在纳米量级的颗粒缺陷会产生局部的场增强效应,该效应与薄膜干涉场叠加,造成了阈值损伤阶段损伤区域出现大量损伤点,且由于飞秒激光对包括缺陷在内的薄膜材料的本征损伤特性,使其损伤行为较为确定,随着激光能量的提升,薄膜出现更大面积的规则烧蚀区,此时干涉场的作用上升到主导地位,膜层的整层剥落行为掩盖了缺陷的诱导作用.     

波长分离膜在2μm飞秒激光作用下的损伤特性

用离子束溅射的方法在红外石英玻璃基底上制备了Ta2O5/SiO2(1.064μm波长下高透,2.128μm波长下高反)波长分离膜,利用飞秒激光系统(输出波长为2μm,脉宽为80 fs)测试了它的激光损伤情况,同时用光学显微镜和扫描电镜观察了样品的损伤形貌,根据不同能量作用下破斑面积与能量密度的关系拟合得到样品的损伤阈值。实验结果表明,2μm飞秒激光作用在波长分离膜的损伤形貌为层状分布,破斑边缘比较清晰,没有热扩散和热传导现象,属于本征损伤。利用基于导带电子数密度的理论模型,并结合电场分布与带隙理论讨论了2μm飞秒激光作用于光学薄膜的损伤机制,确定了损伤起源于高低折射率界面处的窄带隙材料。     

1064 nm和532 nm激光共同辐照薄膜的损伤

建立了两个不同波长激光同时辐照薄膜的损伤阈值测试装置,实验研究和对比1064 nm激光,532 nm激光,1064 nm和532 nm激光共同作用3种不同方式辐照1064 nm和532 nm增透膜(ARF)的损伤阈值及其损伤形貌.结果表明,1064 nm和532 nm激光共同作用损伤形貌和532 nm激光单独作用下的形貌相似,532 nm激光在诱发薄膜损伤因素中起主导作用.1064 nm激光单独辐照薄膜的损伤阈值高于532 nm激光,而1064 nm和532 nm激光共同作用下薄膜的阈值介于这两者之间.     

脉冲激光对石英基底Ta2O5/SiO2滤光膜的损伤效应研究

随着高能激光系统的发展,对光学薄膜抵抗激光损伤能力的要求越来越高,而激光脉宽是脉冲激光对薄膜损伤行为的重要影响因素。针对Ta₂O₅/SiO₂多层膜,基于1-on-1测试方法,分析其在飞秒、皮秒、纳秒激光作用下的损伤特性。测得800 nm飞秒激光作用下的损伤阈值为1.67 J/cm₂;532 nm和1 064 nm皮秒激光作用下的损伤阈值分别为1.08 J/cm²和1.98 J/cm²;532 nm和1 064 nm纳秒激光作用下的损伤阈值分别为9.39 J/cm₂和21.57 J/cm₂,并使用金相显微镜观察了滤光膜的损伤形貌。实验结果表明：飞秒激光对滤光膜的损伤机理主要是多光子电离效应,而皮秒和纳秒激光对滤光膜的损伤机制主要是热效应。滤光膜在飞秒激光作用下的损伤阈值与皮秒激光作用下的损伤阈值相当,纳秒激光作用下的损伤阈值要高一个数量级,透射通带外损伤阈值约为通带内损伤阈值的2倍。     

ArF准分子激光对氟化物高反射薄膜的诱导损伤

为了研究特定模式下氟化物高反射薄膜的损伤机理,采用相衬微分干涉显微镜、原子力显微镜和台阶仪对不同工艺条件下制备薄膜的损伤区域逐步进行对比分析,在薄膜沉积温度增加后,随着薄膜体内聚集密度的增加,薄膜激光损伤阈值有所提升;对于规整膜系,体内驻波电场强度分布对薄膜损伤也有较大影响。结果表明,根据薄膜损伤形貌和损伤深度综合推断,制备的高反射薄膜损伤是由薄膜体内的聚集密度和电场强度分布所共同引起。该实验结果为下一步继续研究高性能激光反射薄膜打下了基础。     

Ta2O5/SiO2硬膜双腔滤光片激光损伤特性研究

研究了Ta2O5／SiO2硬膜双腔干涉滤光片带内、带边及带外的吸收和激光损伤特性。实验发现，对于作用激光，带通滤光片的驻波场分布、吸收率和损伤阈值在带内、带边和带外的响应特性对作用激光波长均呈现出明显的选择性。根据实验结果，结合滤光片的驻波场分析，给出了带通滤光片的损伤机理。     

薄膜内杂质分布的分形特征

薄膜中总会存在一些杂质或者缺陷,杂质和缺陷密度的有限性导致了薄膜破坏的概率性。提出了不同尺寸杂质和缺陷分布的分形特征,分析了薄膜破坏概率与辐照激光功率密度的关系,计算结果与实验结果吻合得很好。得到了一种确定薄膜中最具危害性杂质的热学特性及分布密度的方法。同时提出了杂质的敏感尺寸范围(SSR)的概念,由此得到材料激光损伤阈值的新的确定表达式,该表达式反映的损伤阈值与激光脉宽的关系更加符合实验结果。     

重复率脉冲激光作用下光学薄膜的激光损伤研究

利用介质薄膜中包裹物的热理论模型,结合S.Papernov等利用电子束蒸发技术在熔融石英上沉积含Au包裹物的HfO2薄膜实验,定出了Au的吸收截面.以包裹物Au为例计算了脉冲激光作用下不同包裹物半径对损伤阈值的影响,分析了重复率脉冲激光作用下薄膜损伤阚值的变化及重复频率与激光损伤阈值的关系.     

用于全固态355 nm紫外激光器的三波长高反膜

为了提高激光损伤阈值,采用离子束辅助电子束成膜的方法制备具有355,532,1064 nm三个波长的高反膜.首先使用Lambda950型分光光度计对薄膜样品的光谱性能进行测试,然后验证不同的基底材料及不同的基底清洗工艺对薄膜激光损伤阈值的影响,最后在不同的工作真空度下对薄膜的弱吸收能力和激光损伤阈值等进行较为系统的研究,分析薄膜的弱吸收能力与激光损伤阈值之间的联系.结果 表明,三个波长下的反射率均满足全固态355 nm紫外激光器所要求的光学性能指标,当工作真空度增加到一定程度时,薄膜的激光损伤阈值与弱吸收值不再是对应的关系,而是存在一个最佳值,说明该高反膜可以用于全固态355 nm激光器中的反射镜.     

Femtosecond laser-tissue interactions: Retinal injury studies

We report the first study of laser-tissue interaction in the femtosecond time regime. Retinal damage thresholds and mechanisms produced by exposure to high-intensity femtosecond laser pulses were investigated in chinchilla grey rabbits. Exposures were performed using single laser pulses of 80 fs duration at 625 nm. ED50injury thresholds of 0.75 and 4.5 μJ were measured using fluorescein angiographic and ophthalmoscopic visibility criteria evaluating 204 laser exposures. Ultrastructural studies including light and electron microscopy were performed on selected lesions. Results suggest that the primary energy deposition in the retina occurs in melanin, However, in contrast to laser injuries produced by longer pulses, exposures of more than 100 × threshold in the50-100 muJ range did not produce significantly more severe lesions or hemorrhage. This suggests the presence of a nonlinear damage limiting mechanics in tissue exposed to femtosecond laser pulses.     

脉宽1ms和10ns的激光损伤光学薄膜元件的比较分析

为了研究脉宽为毫秒量级的激光对光学薄膜的损伤,根据国际标准IS0-11254和国家标准GB/T-16601建立了光学薄膜损伤阈值测试装置.测量了脉宽1ms和10ns、波长1064nm激光作用下TiO2/SiO2增透膜的损伤阈值,观测了损伤形貌,测量了损伤厚度及损伤半径,分析了毫秒量级激光损伤光学薄膜的损伤机理并与纳秒激...     

基于双温耦合模型的太赫兹晶体损伤阈值分析

飞秒激光通过非线性光学整流效应产生太赫兹(THz)波时,THz波转换效率会随着飞秒激光功 率的增大而明显提高。然而,飞秒激光功率过高会造成非线性晶体损伤,进而影响THz波的 产生及输出, 因而对飞秒激光作用下非线性晶体的损伤阈值进行研究具有重要意义。本文在经典的双温模 型基础上,引 入电子激发、载流子吸收等电离过程的影响,建立了飞秒激光作用下非线性THz晶体损伤 阈值的预估模 型。采用有限差分法,数值模拟了飞秒激光辐照下THz晶体的温度场变化,并据此对 晶体损伤阈值进行 预估。在此基础上,分析比较了LiNbO₃、ZnTe和ZnSe 3种THz晶体的损伤 阈值随激光脉宽的变化规 律。结果表明,晶体的禁带宽度和比热容越大 ,晶体的损伤 阈值就越大;LiNbO₃晶体因其具有更高的损伤阈值,在产生高功率THz波方面 具有更大的优势。     

飞秒激光作用下光整流晶体的损伤阈值分析

光整流效应是产生太赫兹波的有效途径之一,而产生高功率太赫兹波则需要采用高强度的飞秒激光激励光整流晶体,但激光强度过大会造成晶体损伤,从而严重影响高功率太赫兹波的输出。因此,对光整流晶体的损伤阈值进行研究具有重要的理论意义与实用价值。通过对飞秒激光与非线性光整流晶体材料相互作用物理过程进行分析,建立了飞秒激光作用下光整流晶体损伤阈值的预估模型,比较分析了铌酸锂、碲化锌和硒化锌三种晶体材料的损伤阈值随飞秒激光脉宽的变化规律。结果表明,当飞秒激光的脉宽相对较小时,光致电离在整个作用过程中占主导地位,随着脉宽的增大,雪崩电离逐渐起主要作用;雪崩电离速率和光致电离速率均与晶体的禁带宽度密切有关,光整流晶体材料禁带宽度越大,晶体材料的损伤阈值越高;铌酸锂晶体的损伤阈值明显高于碲化锌和硒化锌晶体,更适合用于高功率太赫兹波的产生。     

Laser-induced surface and coating damage

Results from experiments on laser-induced damage to surfaces of optically polished glass and fused-silica and thin-film coatings are presented. Measurements were made under proper conditions to characterize actual laser components. Data are given for distributions of thresholds for 1.06 μm, 1 ns pulses, the influence of coating materials and designs, and effects of surface preparation on damage threshold, variations of threshold with duration of the laser pulse, and thresholds for selected visible and ultraviolet wavelength pulses.     

Selective and uniform laser-induced failure of antireflection-coated LiNbO3surfaces

LiNbO3surfaces with different antireflection coatings and from different vendors were damaged with 1.06 μm 9.5 ns full width at half maximum laser pulses. By probing with a laser spot smaller than the separation of isolated surface defects, it was possible to separate uniform damage, which was characteristic of the coating itself, from premature defect-driven localized failures. Uniform failure modes were identified and thresholds extracted for each by multithreshold analysis. Frequency of defect damage was determined at several fluences much lower than required for uniform failure. It is likely that defect-driven selective failures reduce the apparent damage threshold of flood-loaded samples. Tentative identification of a selective damage threshold was made and correlated with large-spot multimode test results. Incorporation of these results into a product-improvement program has resulted in LiNbO3Q-switches with increased resistance to selective damage.     

Ge-As-Se-Te硫系玻璃的飞秒激光损伤特性

Ge-As-Se-Te（GAST）硫族化物玻璃拥有超过20 μm的超宽透射范围,是一种可应用于中红外（MIR）和远红外(FIR)波段的优良光学材料。通过熔融淬火法制备了Ge_xAs_40?xSe₄₀Te₂₀（x = 0、10、20、30、40 mol%）系列硫系玻璃,采用不同波长（800 nm,3 μm和4 μm）、功率和重复频率的飞秒激光辐照硫系玻璃,利用扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱等手段研究了GAST的激光损伤特性。研究结果发现,Ge_xAs_40-xSe₄₀Te₂₀玻璃的激光诱导损伤阈值（LIDT）随着样品中Ge含量的增加而增加,在800 nm下Ge₃₀As₁₀Se₄₀Te₂₀玻璃的LIDT达到最高40.16 mJ/cm2。随着飞秒激光波长增加,系列玻璃的LIDT也逐步增加,Ge₃₀As₁₀Se₄₀Te₂₀在4 μm激光辐照下LIDT达到81.09 mJ/cm2。此外,研究结果表明样品LIDT随着激光的脉冲辐照数量和重复率的增加将逐渐减小。