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。     

毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的温度场应力场数值分析

为了研究毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的温度场和应力场特征,基于热传导理论和弹塑性力学理论建立了二维轴对称几何模型,利用有限元分析软件对毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的过程进行了数值分析,得到了熔石英表面及内部的瞬态温度场和应力场的时空分布与变化规律.结果 表明:组合脉冲激光中,毫秒激光脉宽为1 ms、能量为120 J,纳秒激光脉宽为10 ns、能量为80 mJ,Δt=1.0 ms条件下毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英出现温度最佳延时.观察总能量相同的组合脉冲激光与毫秒脉冲激光致熔石英的热损伤结果,得到最佳能量配比.研究结果表明,组合脉冲激光中,毫秒脉冲激光对熔石英产生热效应,纳秒脉冲激光对熔石英产生应力效应.     

高功率激光作用下光学元件非线性热效应研究

为了研究高功率激光作用下光学元件热效应的非线性特性对光束质量的影响, 基于热传导、热弹性力学、物理光学等基础理论, 采用有限元分析方法, 进行了高功率连续激光(功率密度约为500kW/cm2)作用下光学元件的温度场和位移场的计算; 分析对比了各个参数的非线性特性对光学元件热效应的影响; 探讨了不同材料、不同形状光斑辐照下的光学元件非线性热效应。结果表明, 高功率连续激光作用下光学元件所反映出的热学、力学和光学吸收存在着不同程度的非线性效应, 其强弱取决于光学元件材料、光斑形状等因素; 高斯激光辐照熔石英样品且吸收率为100×10-6时, 考虑物性参数和温度边界条件的非线性, 会引起表面最大温升16%的相对误差和表面变形峰谷值10%的相对误差。这一结果为开展与此相关的研究提供了一些新思路。     

高功率激光辐照CFRP的温度场和应力场的数值分析

为了研究高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤规律,采用COMSOL软件对多层结构的碳纤维/环氧树脂复合材料的热应力进行模拟计算,取得了不同功率密度激光辐照复合材料的瞬态温度场与应力场的时空分布及变化规律。测量得到不同功率密度的激光作用碳纤维/环氧树脂后的损伤面积和损伤形貌,与数值模拟结果的趋势吻合。结果表明,靶材表面辐照中心点温度在872K时出现温度平台,即相变潜热期与逆相变潜热期,并随着激光功率密度变化;激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力,功率密度为293W/cm2时,压应力差值约为1.87MPa;功率密度为3453W/cm2时, 压应力差值约为1.42MPa。这一结果对高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤研究提供了理论基础。     

不同延时的组合脉冲激光致硅表面损伤研究

为了研究组合脉冲激光与单晶硅材料的相互作用过程,采用两束脉宽分别为7ns和1ms的脉冲激光复合作用的方式,进行了单束毫秒脉冲激光和组合脉冲激光辐照硅片的实验研究,并结合数值计算对比了两种激光工作模式辐照造成的表面损伤形貌;根据组合脉冲激光延迟时间的不同将损伤形貌分为3类,对熔融深度和表面损伤半径做了进一步的研究。结果表明,组合脉冲激光的损伤效应更为严重,包括解理裂纹、烧蚀和皱褶,表面损伤半径主要取决于入射毫秒脉冲激光的能量密度,而熔融深度随延迟时间的增加而减小;毫秒脉冲激光的预加热以及纳秒脉冲激光造成的表面损伤与后续毫秒脉冲激光的相互作用,使得组合脉冲激光具有更好的损伤效果。该研究结果可为今后组合脉冲激光加工半导体材料提供参考。     

连续激光作用下滤光片熔坑形成机理研究

在532nm波长连续激光辐照ZnS/SiO2/K9 630～690nm多层膜滤光片的损伤实验的电镜扫描分析下观察到了"熔坑"的现象,根据这个现象建立了含有Pt杂质的532nm波长连续激光辐照ZnS/SiO2/K9 630～690nm多层膜滤光片的热损伤模型.结合温度场的计算,研究了532nm连续激光辐照630～690nm多层薄膜滤光片时杂质周围产生的温升效应,通过对计算结果与实验结果的比较,分析了杂质对滤光片薄膜激光损伤的影响.分析了连续激光作用下杂质对滤光片的破坏机制,解释了滤光片熔坑产生的原因.     

光学元件激光诱导损伤分析及实验研究

通过激光损伤实验,系统分析了传统研磨抛光加工工艺中表面杂质、刻蚀时间、亚表层缺陷和划痕宽深比对熔石英元件激光损伤阈值的影响。结果表明:擦洗后熔石英元件的激光损伤阈值为21.6J/cm~2,未经擦洗的元件的激光损伤阈值为11.28J/cm~2,受表层杂质影响激光损伤阈值大幅度降低,而有缺陷位置处的激光损伤阈值明显比无缺陷位置处的低。刻蚀时间的增加会使工件表面粗糙度和缺陷尺寸逐渐增大,导致光学元件激光损伤阈值大幅度下降,因此需要合理选择化学刻蚀时间。亚表层缺陷会对入射光场产生调制作用,造成局部区域反射光、散射光及入射光相互叠加,最终导致材料破坏而产生激光损伤。随着刻蚀时间的增加,划痕的宽深比会逐渐增大,可以逐渐减弱划痕对光场的调制作用,从而降低激光损伤发生的概率。     

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...     

CO2激光器在光学元件表面处理中的应用

介绍了CO2激光修复光学元件表面损伤用其对基片表面缺陷进行抛光的原理、内容以及最新进展,分析了CO2激光修复光学元件表面损伤对元件抗损伤阈值的提高所起的重要作用,并指出技术巾存在的问题。     

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。     

组合激光对单晶硅热作用的数值分析

为了提高激光加工中单晶硅材料对激光能量的耦合效率,采用一个短脉冲激光和一个长脉冲激光形成组合激光辐照单晶硅,使用COMSOL软件对该过程进行模拟,得到了组合激光长短脉冲间的延迟时间和长脉冲激光能量密度的变化对作用效果的影响,并与总能量相等的毫秒激光单独作用的效果进行比较;实验测量得到的不同能量密度的激光作用单晶硅后损伤形貌,与数值计算结果的趋势吻合。结果表明,组合激光能提高材料对激光的耦合效率;不同的延迟时间会影响组合激光的作用效果,最佳延迟时间为0.1ms;组合激光中毫秒激光能量密度占比较低时,作用效能较明显,随着毫秒激光能量密度占比的提高,对作用效果的提升相对变缓。该研究结果可以为组合激光的应用提供理论和实验依据。     

毫秒激光辐射K9玻璃的激光损伤研究

利用毫秒激光损伤测试平台,通过改变焦距和聚焦位置,研究了K9玻璃前后表面附近的损伤概率和损伤形貌。结果表明,焦平面位于前表面时以热熔损伤为主,焦平面位于后表面时则以应力损伤为主,且尺寸明显大于前表面。建立二维热力学模型并对温度场和热应力场进行计算,结果显示,径向应力和环向应力是导致材料产生应力损伤的主要因素。激光辐照过程中在前表面产生的燃烧波能够增强激光能量耦合效率,是材料前表面产生熔融损伤的原因之一。此外,实验发现,焦距较短时,损伤概率随焦平面与样品表面距离的增大迅速下降,焦距较长时,易在样品前后表面同时产生损伤,这与透镜的焦深有关。     

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.     

毫秒脉冲激光损伤CCD探测器的实验研究

为了研究行间转移型彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光辐照下的损伤效果,采用实验研究的方法,测量了不同能量密度的激光作用下,CCD表面中心点温度、受损区域面积、深度及CCD内部复位时钟信号和阻抗值的变化,结合CCD输出图像中出现不可恢复的焦斑及黑白雪花现象,对彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光作用下的损伤效果进行了分析。结果表明,在毫秒脉冲激光的辐照作用下,行间转移型彩色面阵CCD内部结构会产生不同程度的烧蚀,当能量密度达到23.49J/cm2时,烧蚀深度直达基底层,致使CCD内部信号传输通道断开,漏电流增加,最终造成CCD无信号输出,完全损坏。该研究对CCD探测器在强激光作用下的损伤效果研究是有帮助的。     

重频脉冲CO2激光损伤K9玻璃的实验

对脉冲CO2激光在不同重频模式下损伤K9玻璃进行了实验研究。采用输出能量为10 J,脉宽为90 ns,重复频率在100 Hz至300 Hz之间连续可调的脉冲CO2激光器,对K9玻璃样品进行了激光损伤实验,观察到两次不同重频条件下样品的损伤形貌。实验结果表明,重频越高,对样品的损伤程度就越严重;应力损伤成为K9玻璃激光损伤的最主要的原因,在重频强激光的辐照下,K9玻璃表面出现强烈的等离子体闪光,伴随明显的熔融气化破坏,并形成等离子体爆轰波。爆轰波对玻璃材料产生了严重的力学冲击作用,这种应力作用足以对K9玻璃造成毁灭性破坏。运用有限元分析对激光辐照K9玻璃的温度与应力分布进行仿真,其计算结果与实验基本吻合。     

激光辐照CCD温度场与热应力场的研究

为了研究了激光与CCD传感器的作用过程及损伤机理,采用有限元分析的方法,对波长1.06μm的连续激光辐照行间转移型面阵CCD进行了理论分析和仿真研究。以基底Si表面激光辐照区域为热源建立热力耦合模型,模拟得出了CCD的温度分布和热应力分布。通过对比分析其组成材料的温度损伤和应力损伤所发生的时间,发现应力损伤先于温度损伤。结果表明,作为固定边界和自由边界的交汇处,基底Si下表面边缘处热应力于激光作用0.1s时最先超过破坏阈值120MPa,发生应力破坏; Si材料产生由下表面边缘向中心的滑移,基底逐步脱离固定; 激光作用0.3s时,遮光Al膜与SiO₂膜层也因热应力超过两种材料的附着力100MPa,而产生沿径向由内向外的Al膜层剥落的应力破坏行为,这种行为将加快基底Si材料的滑移,最终致使整个CCD因脱离工作位置而失效。该研究成果为CCD传感器的激光损伤及防护提供了理论依据。     

长脉冲激光辐照单晶硅的热损伤

为探究毫秒脉冲激光辐照单晶硅的热损伤规律和机理,利用高精度点温仪和光谱反演系统对毫秒脉冲激光辐照单晶硅的温度进行测量。分析温度演化过程,研究毫秒脉冲激光对单晶硅热损伤全过程的温度状态和对应的损伤结构形态。研究表明:脉冲宽度固定时,激光诱导的单晶硅的峰值温度随能量密度的增加而增加;当脉冲宽度在1.5~3.0 ms之间时,温度随脉冲宽度的增加而降减小。温度上升曲线在熔点(1 687 K)附近时出现拐点,反射系数由0.33增加为0.72。在气化和凝固阶段,出现气化和固化平台期。单晶硅热致解理损伤先于热致熔蚀损伤,在低能量密度激光作用条件下,应力损伤占主导地位,而在大能量密度条件下,热损伤效应占主导地位。损伤深度与能量密度成正比,随脉冲个数增加迅速增加。     

激光脉宽对光学薄膜元件热损伤的影响

纳秒量级及以下脉宽激光致光学薄膜元件的损伤研究持续了几十年,但纳秒量级以上脉宽却很少提及。因此,针对10 ns~1 ms量级区间不同脉宽激光辐照光学薄膜元件产生的热损伤进行了研究,计算了高反膜、增透膜和干涉滤光片三种典型光学薄膜元件的温度场分布,并分析了其激光热损伤特性。结果表明,对于长脉宽激光,热扩散深度大,薄膜损伤的电场效应被削弱,热传导效应在损伤中占据主导地位,损伤可至基底;短脉宽激光损伤对薄膜内部的电场分布更为敏感,损伤发生在温度最高值附近的膜层区域。进而开展了10 ns与1 ms脉宽激光致光学薄膜元件的损伤实验,损伤阈值及形貌特征与温度场计算结果显示的热损伤特性相符。     

组合激光辐照单晶硅的热作用数值分析

利用有限元法对组合激光辐照单晶硅的温度及应力场进行了数值分析,在组合激光与连续激光平均功率密度相同的前提条件下比较了组合激光和连续激光分别作用于单晶硅的损伤效果。计算结果表明,组合激光与连续激光相比更有利于实现对单晶硅的热损伤;组合激光作用下单晶硅内部的Von Mises应力、轴向应力和环向应力比在连续激光作用下要大,组合激光对单晶硅的损伤比连续激光更强。     

毫秒/纳秒激光致碳纤维环氧树脂损伤形貌研究

为了研究碳纤维环氧树脂在不同脉宽激光辐照下的损伤形貌,采用全自动变焦测量技术进行了实验验证,测量了碳纤维环氧树脂在毫秒/纳秒脉冲激光辐照下,损伤面积、损伤深度以及损伤形貌随激光能量密度的变化。结果表明,在毫秒脉冲激光作用下,材料损伤区域中心会产生一定的温度积累,损伤区域有一定的热效应,出现熔融、热解等现象,当激光能量密度为20.5J/cm2时,材料的损伤深度达到了47.3μm,材料表面析出的碳化物的高度为157.1μm,损伤深度以及表面碳化物的高度都随着能量密度的增大而增大;在纳秒激光作用下,光斑周围有明显的热反应区域,当能量密度大于47.3J/cm2时,表面的热反应区尤为明显,损伤面积随激光能量密度的增大明显增大,由于作用时间较短,损伤主要为表层损伤;树脂热解的气体向外膨胀,导致纤维结构断裂。研究结果为激光对碳纤维环氧树脂的损伤效果提供了实验依据。