高重复频率DPL 激光对光学薄膜元件损伤实验研究

光学薄膜的高重频激光损伤特性一直是激光薄膜研究者的重点。为了分析光学薄膜在高重频激光辐照下的损伤特性,探究其损伤机理,文中从实验出发,研究了重复频率10 kHz DPL 激光对光学薄膜元件的损伤特性。结果表明,修正膜层内的驻波场分布,降低膜层内高折射材料中的驻波场峰值可以提高高重频激光损伤阈值;从激光损伤形貌与辐照激光功率的关系上看,在高重频激光辐照下光学薄膜元件的损伤实质上是热效应和场效应共同作用下产生的微损伤累积放大所造成的。当薄膜吸收率较小时,损伤主要表现为场效应所致的微损伤累积放大,当薄膜吸收率较大时,损伤主要表现为热效应所致的微损伤累积放大。     

基于均匀化激光双面辐照的热力耦合测试方法研究

为了研究以激光为热源开展材料高温力学性能测试的可行性,建立理论模型与数值模型,分析了材料在双面均匀激光光斑加热下的表面及内部温升。结果表明,理想情况下采用均匀化激光双面辐照的加热方式可以在试件加热区域内形成较均匀的温度场。为验证上述结论,建立了光斑匀化度达92%的激光双面辐照热力耦合测试试验平台,并基于相关测试方法获取了传统加热方式难以快速加热的CFRP层合板高温拉伸强度。结果表明,试件在激光加热中心测试区域(10 mm×10 mm)内的温度均匀性良好。试件在均匀化激光双面辐照下可被快速加热至923℃,测试区域内的最大温度波动为6.8%。文中提出的基于均匀化激光双面辐照的热力耦合测试方法相比传统测试方法具有通用性好、温升率高、测试温度高、测试效率高等一系列的优点。该研究可为进一步研制通用型材料/结构高温升率、高温力学性能试验系统提供关键技术支撑。     

强激光辐照PC型探测器的动态响应

基于载流子输运和强激光辐照会产生热效应造成探测器的温升,建立了描述光导(PC)型半导体探测器对激光辐照动态响应的动力学模型及非线性耦合方程组。通过进行数值模拟计算,得到了激光辐照PC型半导体探测器的动态响应情况,数值模拟结果与实验结果相吻合。该模型能适用于任何强度的激光辐照,弱激光辐照时结果与传统模型一致,强激光辐照时能描述探测器的信号饱和效应。     

He－Ne激光提高蛋鸡产蛋率影响的研究

以输出功率为１３毫瓦的８４－２型兽用Ｈｅ－Ｎｅ激光治疗机扫描照射蛋鸡的内眼角和鸡冠部．每只鸡辐射１０秒钟，连续照射１０天，观察５周。结果表明，Ｈｅ－Ｎｅ激光对提高蛋鸡产蛋率，增加平均蛋重，减少破蛋率和软壳蛋率均有明显效果，可以在养鸡生产中作较大批量的观察。     

Modeling facet heating in ridge lasers

A numerical self-consistent model to study facet heating in semiconductor lasers is presented. The model consists of the solutions of the 3D heat equation and the 1D longitudinal carrier and photon rate equations. The model is used to investigate facet heating in a ridge laser structure and the results are compared with the predictions of similar models using lower dimensional thermal equations. The results show that a large scale 3D thermal approach must be taken to study facet heating if overestimations in facet temperature are to be avoided. The importance in the overall facet heating process of a non-linear thermal conductivity and Joule heating generated outside the active region is looked at. Although the different thermal behavior at the facets of InGaAsP/InP and AlGaAs/GaAs lasers has previously been explained in terms of their different surface recombination velocity, interesting results are obtained when the laser structures are compared with emphasis placed on their basic thermal properties. The results show that a combination of dimensionality of the heat flow and the temperature dependence of the thermal conductivity are important factors in the determination of the facet temperature.     

激光辐照光学材料热力效应的解析计算和损伤评估

光学元件的损伤是高功率激光技术发展的一个瓶颈，为此以连续CO2激光辐照K9玻璃为例，研究了连续激光辐照光学材料的热力损伤机理。通过积分变换方法，求解热传导和热弹性力学方程组，由此得到激光辐照引起的温度场和热应力场的瞬态分布。研究中发现在高斯光束作用下，热扩散长度的概念不再适用，因此通过曲线拟合方法，推导出最大热应力的位置与辐照时间的关系，并由此计算出材料的损伤阈值。由于K9玻璃的应力损伤阈值小于熔融损伤阈值，因此当激光作用引起的环向热应力大于材料的抗拉强度时，材料发生永久性损伤，损伤形态为拉伸解理。将理论模型的相关结论与实验结果相对比，两者吻合得很好。     

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。     

Nonequilibrium model for semiconductor laser modulation response

Presents a laser model for describing the effects of nonequilibrium carrier distributions. The approach is based on the coupled Maxwell-semiconductor-Bloch equations, with carrier-carrier and carrier-phonon collisions treated in the relaxation rate approximation. Using examples involving relaxation oscillation, current modulation, and optical injection, we demonstrate how the model can be used to study the influences of spectral hole burning, dynamic carrier population bottleneck, and plasma heating on semiconductor laser modulation response     

Modeling of intraluminal heating of biological tissue: implicationsfor treatment of benign prostatic hyperplasia

A computer model for predicting the thermal response of a biological tissue to different intraluminal heating modalities is presented. A practical application of the model is to calculate the temperature distributions during thermal coagulation of prostate by contact heating and radiative heating. The model uses a two-dimensional axisymmetric diffusion approximation method to calculate the light distribution during radiative heating. The traditional Pennes' bio-heat equation is used to calculate the temperatures in the presence of blood flow. An implicit finite difference scheme with nonuniform grid spacings is used to solve the diffusion equation for light distribution and the bio-heat equation. Model results indicate that the radiative heating of prostate by Nd:YAG (1,064 mm) and diode (810 mm) lasers can be a more effective and efficient means of coagulating a large volume of prostate, as compared to contact heating of the tissue. Blood perfusion is shown to provide a considerable heat sink as the laser exposure time is increased. Surface cooling by irrigation during the laser irradiation of tissue is shown to be an effective method for delaying tissue explosion and obtaining a large volume of coagulated tissue. The model also shows that the volume of the coagulated tissue is appreciably altered by a change in the rate of energy deposition     

激光等离子体形成过程的数值模拟

采用一维单流体双温度辐射流体动力学模型.通过数值模拟方法.研究了XeCl准分子激光辐照金属Al靶时.气化等离子体的形成和演化过程.     

高重频CO2激光对Hg0.826Cd0.174Te晶体的损伤

开展了HgCdTe 晶体的多脉冲热损伤问题的实验研究。采用形貌学方法对脉宽为300 ns 重复频率可调的CO2 激光器对Hg0.826Cd0.174Te 晶体的损伤阈值进行了实验测量,并建立了高重频脉冲CO2 激光辐照Hg0.826Cd0.174Te 晶体的三维热传导理论模型,分析了激光重复频率和辐照时间对晶体损伤特性的影响。研究表明:300 ns 的CO2 激光辐照时间大于10 s时,Hg0.826Cd0.174Te 晶体的损伤阈值不随辐照时间的增加而改变,其损伤阈值为1.421 4103W/cm2;激光重频对晶体的损伤阈值的影响较小,损伤阈值主要取决于辐照激光的平均功率密度。SEM 损伤结果显示:晶体损伤为热熔损伤,表面未发现由热应力造成的裂缝。理论模型获得的损伤数据和温升规律支持实验结果。该研究可为高重频CO2 激光应用、激光防护等提供参考。     

强激光辐照低慢小目标抖动光斑功率密度估计

针对激光毁伤低慢小目标ATP系统跟瞄误差造成的光斑抖动问题,建立激光斜程辐照低慢小目标的高斯分布等效光斑模型。通过仿真,得到特定大气能见度条件下瞄准误差角度、目标天顶角和目标高度的关系曲线,及不同初始天顶角条件下到达目标表面光斑形态及功率密度,并分析辐照天顶角及目标飞行高度对目标表面归一化功率密度的影响,得到了典型低慢小目标尼龙材料激光防御过程中对ATP系统跟瞄误差的要求,为激光防御低慢小目标各项参数设定及自适应系统的完善提供了依据。     

Pulsing behavior of a three-level laser with saturable absorber

A numerical study of a three-level laser model that includes a saturable absorber is presented. The theory models the laser as a lumped element. This assumption is valid as long as the laser pulses are much longer than the cavity. The model is intended to be somewhat representative of an erbium-doped fiber laser without trying to mimic the operating parameters of such a laser too closely. As expected, the presence of the saturable absorber causes the laser to be unstable under certain operating conditions. The question of stability is explored by examining small perturbations of the steady-state solutions of the rate equations. It is found that the predictions of this stability analysis are in excellent agreement with the behavior of the solutions of the full time-dependent rate equations. It is also found that under certain conditions the laser may pass from pulsed to stable operation simply by raising the pump power     

玻璃表面微颗粒的激光清洗研究(特邀)

针对玻璃表面微颗粒的污染问题,文中研究了脉冲激光对颗粒污染物的清洗阈值和清洗效果。通过颗粒吸附和形变模型计算石英玻璃表面与颗粒间的吸附力,分析热应力与激光能量密度的关系。通过吸附力和热应力的对比分析得到颗粒污染物的清洗条件和理论阈值。实验对比石英玻璃表面颗粒的正面入射和反面入射的清洗效果,研究功率密度、扫描速度和清洗次数等参数对清洗率的影响。结果表明,大颗粒污染物的反面清洗可以完全去除,正面清洗小颗粒污染物的效果较好。单因素和三因素研究表明激光功率密度对清洗率的影响比扫描速度大,激光清洗次数对清洗率几乎没有影响。     

强激光束边缘对单层皮肤成纤维细胞的光生物调节作用

摘要用单层人类正常皮肤成纤维细胞(HSFs)作为细胞模型，研究高强度激光束边缘低强度激光的光生物凋节作用。分别用1064nm和532nm脉冲激光对24组培养的HSFs单层细胞进行照射。研究发现，高脉冲能量的照射导致较低存活率和较大的损伤半径。对接受1064nm照射的HSFs，100mJ照射组和150mJ照射组在照射24h和48h后检测发现显著促进增殖；而对532nm照射的HSFs，100mJ照射组在照射24h和48h后检测发现受到显著抑制增殖。这些结果表明。高强度激光束边缘低强度激光存在光生物调节作用，这可能是影响外科激光的长期效应的重要因素。     

猫眼回波探测1.06 μm激光引发硅的损伤演化

利用猫眼回波的变化研究焦平面上硅在激光辐照下的损伤演化。随着激光辐照时间的增加,回波图像出现抖动,产生新的纹理,判定焦平面上硅受到损伤。损伤对应的回波图像面积不断扩大,损伤区内光斑结构逐渐变得复杂,且光斑面积不断减小,最终形成动态稳定的损伤回波图像。依据回波图像的变化分析硅的损伤形貌,依次出现表面氧化、小尺度形貌损伤、损伤面积扩大等现象。初步分析了回波图像纹理特征与焦平面上硅损伤形貌的对应关系,认为回波图像损伤区光斑的自相关性与角二阶矩随着损伤形貌粗糙度的增大而减小。     

1.06μm激光辐照牙本质光热作用的数值模拟

激光技术已经成为牙科应用领域中重要的治疗手段.但是激光辐照牙齿时所产生的温升容易引起牙髓腔中细胞不可逆的损伤,导致牙髓细胞坏死,因此必须对相关的激光参数加以控制.本文建立了激光对牙齿光热作用的理论模型,对不同Nd:YAG激光参数照射下牙齿表面及内部的温度场进行了数值模拟.对相关的光热机理进行了探讨,提出了光热蚀除牙齿应采用的最佳措施.     

单脉冲激光损伤CCD探测器的有限元仿真

为了研究激光对CCD探测器的损伤效应,采用有限元分析的方法进行了激光损伤CCD的理论分析和实验验证。阐述了激光辐照CCD探测器的损伤机理,设计了激光辐照CCD探测器热效应的仿真模型,针对波长为532nm的高功率激光辐照硅基CCD探测器而产生的热效应,利用有限元法进行了仿真计算,得到了CCD探测器受到532nm激光辐照时硅电极的温度曲线以及硅电极损伤时间阈值,并相应计算出损伤CCD探测器所需要的激光能量阈值为220mJ/cm2左右。结果表明,损伤阈值随着激光功率密度的增大而减小,但变化幅度不大;当多脉冲毫秒激光辐照CCD探测器,在一个脉冲结束、下一个脉冲到来之前,探测器温度恢复到环境温度。该模型可以较为准确地对单脉冲激光辐照CCD探测器时产生的热损伤效应进行模拟。     

低能激光武器对人眼光热作用的数值模拟

针对低能激光武器使用过程中对人眼作用的不确定性,建立了符合我国人眼参数的简化模型和视网膜光热作用的层状模型,充分考虑外在环境及人眼受到激光照射时本能躲闪等因素,运用matlab中的有限元法求解了不同激光照射条件下眼底的温度变化,利用生物组织的热损伤模型,确定了激光照射人眼时的功率密度限值,通过对青紫蓝灰兔眼的激光照射实验表明,实验结果与数值模拟结果基本一致。     

1070nm连续激光辐照三结GaAs太阳电池的实验研究

为了研究真空环境下波长为1070nm连续激光辐照对三结砷化镓太阳电池输出的影响,采用实验研究的方法测量了不同功率密度激光作用下太阳电池背面温度和负载电压的实时变化。当激光功率密度为8.4W/cm2时,温度升高显著,负载电压下降趋近于零,激光作用结束,电压恢复至初始电压的53%;继续增大激光功率密度至11.7W/cm2,经2.3s后,负载电压降为零且不能恢复,电池已毁伤。结果表明,连续激光作用会引起电池温升,温度升高使负载电压下降; 作用激光功率密度较小时,电池温升幅度较小,负载电压下降幅度也较小,激光停止后,负载电压能逐渐恢复至初始状态; 作用激光功率密度较大时,温升幅度也较大,引起负载电压下降显著,即使激光停止作用,负载电压也不能恢复至初值,此时说明电池已有损伤。该实验结果可以在一定程度上为激光损伤电池机理的研究提供参考依据。