飞秒激光与硅的相互作用过程理论研究

理解超短激光与材料的相互作用过程与机理是开展超短激光加工等工程应用的基础。首先引入电子激发项、双光子吸收、俄歇复合项等改进双温,使其较准确地适应于飞秒激光与半导体硅材料的相互作用过程。然后,分析了热损伤效应和"非热"损伤效应的影响。最后,开展了双脉冲飞秒激光与硅的相互过程研究,并分析了电子密度、晶格温度对于损伤积累效应的影响。理论模型得到单脉冲激光损伤阈值为0.25 J/cm2,此时主要表现为热损伤;当入射能量密度大于0.53 J/cm2时,主要表现为"非热"损伤。双脉冲激光作用表明,脉冲间隔不大于100 ns(激光重频10 MHz)表现出明显的热积累效应,并显著降低损伤阈值。此时,第一个脉冲造成的电子密度升高(≤1026/m3)对损伤的贡献较小;而第一个脉冲引起的晶格温升将导致极高的电子激发以及晶格温升(≥800 K),对损伤起主要贡献作用。该研究对于激光微加工、激光防护等领域具有参考意义。

连续激光辐照背照式CMOS图像传感器实验研究

背照式互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)图像传感器较前照式结构显著提高了低光照环境下的拍摄效果,激光对不同结构传感器有不同的干扰损伤机制。为了研究激光对背照式CMOS图像传感器的影响,利用1 064 nm连续激光,开展对背照式CMOS图像传感器的干扰和损伤实验研究。干扰实验观察到饱和与反饱和现象,激光功率密度大于1.39×10^(-2)W/cm^(2)时出现饱和现象,大于1.03×10~4W/cm^(2)时出现反饱和现象。损伤实验观察到点损伤、十字线损伤、面损伤和致盲现象,功率密度大于1.35×10^(6) W/cm^(2)出现点损伤,大于1.74×10^(6) W/cm^(2)出现十字线损伤,大于1.65×10^(7) W/cm^(2)时出现面损伤现象,进一步增加激光功率,探测器最终出现致盲现象。背照式结构电路较前照式结构的位置更深,干扰和损伤所需的激光功率更高,因此抗激光能力更强。

HF激光脉冲与水柱表面相互作用产生电信号(英文)

研究了脉冲HF激光与水柱表面相互作用下电信号的产生过程。电信号显示了与激光能量线性相关的峰值间有时间间隔的两峰结构,且第二个尖峰在水柱底部的蒸汽腔塌缩后出现。实验还显示电信号的幅值和激光脉冲照射过程中是否存在膨胀和挤压的薄水层密切相关。如果在电池上边缘和石英平板(石英板紧邻电池,并与水柱上表面相接)之间存在一薄水层,电信号强度会增加10倍。

声光调Q CO_2激光器波长调谐理论分析与实验研究

采用旋转光栅法实现了声光调Q CO_2激光器可调谐脉冲激光输出。理论分析了CO_2激光波长调谐特性,发现调节各支谱线腔内损耗是实现激光波长调谐的有效方法。进而理论计算了特定设计波长闪耀光栅的衍射效率与激光波长间的关系,结果显示光栅调谐的激光谱线自准直角与光栅闪耀角一致时具有最高的衍射效率。采用闪耀角分别为31.97°(闪耀波长10.59μm)和28.71°(闪耀波长9.60μm)的光栅实验研究了声光调Q CO_2激光器波长调谐特性,分别获得了65条和75条激光谱线。实验结果显示:光栅设计闪耀波长处于弱激光增益分支时可获得更多条激光谱线,该实验与理论计算结果相符。在脉冲重复频率为1 k Hz时,获得10.59μm激光脉冲宽度为160 ns,平均功率4.2 W,脉冲峰值功率26.25 k W,且稳定性良好。

声光调Q CO_2激光器的实验研究

为满足13.5 nm极紫外光刻（EUVL）等领域的应用需求,研制了高重复频率、高稳定性的声光调Q CO2激光器。首先,对声光Q开关的工作原理进行了分析,并实验研究了调制信号电压与衍射效率的关系。接着,研究了调制信号占空比对脉冲波形的影响,通过选择适当的占空比消去了脉冲拖尾。然后,对不同重复频率下的脉冲宽度、功率和脉冲幅值稳定性进行了测量和分析。最后,对激光器的光束指向稳定性进行了测量。实验结果表明：该激光器实现了重复频率1～100 k Hz连续可调的脉冲输出,在重复频率1 k Hz时,获得最小脉冲宽度252 ns和最大峰值功率7 579 W的激光脉冲输出。通过设计以殷钢管为主体的支撑架,使得激光器的脉冲幅值不稳定性小于3%,光束指向稳定性为46.6μrad。该声光调Q CO2激光器可作为高性能种子源在EUVL等领域中得到应用。

声光偏转快调谐脉冲CO_2激光器实验研究

采用双声光调制器光路快速偏转技术与自准直光栅法实现CO_2激光全波段快调谐同光路输出。首先对声光调制器特性进行实验研究,结果显示:声光调制器偏转角度约为4. 4°,与运用布拉格方程计算结果相符;且激光单次通过声光调制器移频量为40. 68 MHz,与声光驱动器射频频率一致,将激光往返多次经声光调制器的移频量叠加。进而,开展基于声光调制器的CO_2激光快调谐实验研究,运用两个对称布置的同驱动频率声光调制器补偿声光移频,实现偏转光路振荡输出,运用光栅法在直线光路中实现激光全波段可调谐输出。最终,在声光调制器时序控制下,实现双波长激光快调谐同光路输出,选定激光波长的切换时间约为1 ms,脉宽小于300 ns,且双波长切换速度不受CO_2激光跃迁谱带的限制。

高功率TEA CO_2激光器非稳腔实验研究

为了提高光束质量、压缩光束发散角,利用现有高功率稳定腔TEA CO2激光器进行了非稳谐振腔的技术改造及激光输出试验,非稳谐振腔采用正分支虚共焦型非稳腔方案。为充分研究谐振腔结构参数及激光振荡模体积对输出能量和光束发散角的影响,共设计加工了包含4种放大率、5种模体积的20组非稳腔腔镜组合。在其它参数都相同的试验条件下,进行了非稳腔镜的单脉冲输出对比试验,得到的最大输出能量为14 J,是原平凹稳定腔的70%,而光束发散角只是原平凹稳定腔的1/4。

无人机用航空铝合金材料激光毁伤特性缩比实验研究

目的通过开展激光对无人机用航空铝合金材料的缩比毁伤实验,为研究激光对无人机的毁伤特性及规律奠定基础,为激光武器的战技指标论证提供科学可靠的参考数据。方法采用缩比模型法,利用激光对航空铝靶板进行毁伤实验,记录烧穿时间、光斑直径、激光功率等参数,并通过等效性修正实验对毁伤规律进行分析。结果毁伤缩比实验中,随着尺度律cP的增加,航空铝板的平均击穿时间逐渐延长,击穿所需的激光能量密度基本符合线性增加规律。修正实验中,随着航空铝板厚度的增加,击穿时间逐渐延长,实验拟合曲线与理论曲线具有较好的一致性。结论通过缩比实验与修正实验,可建立激光对航空铝合金材料的毁伤模型公式,根据激光参数推算毁伤阈值及击穿时间。

9.3μm脉冲CO_2激光倍频实验

介绍了利用9.3μm脉冲TEACO2激光通过AgGaSe2晶体二次谐波产生(SHG)技术实现4.65μm中红外波段激光输出的实验研究。根据非线性光学原理和倍频技术的基本要求,通过有针对性的技术手段选择TEACO2激光器的输出谱线并控制脉冲波形的时间分布,使之满足激光倍频实验对泵浦脉冲光源在波长和输出时间分布上的基本要求,并以此为基波光源进行了产生二次谐波的实验研究。实验结果显示,即使是相同的AgGaSe2倍频晶体材料,也会由于生产厂商的不同而具有完全不同的表面破坏阈值行为,而相同点是体损伤阈值均大于表面损伤阈值。实验获得倍频输出最大能量为12.9mJ;倍频输出最高平均功率为940mW。

皮秒激光对电荷耦合器件多脉冲损伤效应研究

为了研究短脉冲激光对光电系统的作用机理,开展了高重频皮秒激光对行间转移Wat-902B型电荷耦合器件（CCD）的损伤实验研究,并对损伤机理进行了分析。调整皮秒激光指向相机光学系统入瞳位置,并使用电动转台方法控制激光与光学系统的交汇时间,从而控制到达光电探测器的脉冲个数。采用激光传输的二阶矩理论获得了激光到达CCD靶面的光斑能量分布,光斑测试精度优于20.3%.考虑到实验误差,1.5 ns、400 ps千赫兹高重频激光条件下,转台转速201°/s,器件功能性损伤阈值为13.6-121.0 mJ/cm2,显著小于单脉冲损伤阈值263-1 146 mJ/cm2.单脉冲器件功能性失效机理为垂直转移电路电极间短路,多脉冲激光条件下的器件功能性失效机理与单脉冲损伤显著不同,表现为多线损伤的积累过程。

放电引发非链式DF激光器脉冲特性研究

研究了工作气体分压比、总气压、充电电压及输出镜反射率对激光单脉冲能量、脉冲宽度及峰值功率的影响。实验结果表明:对于输出能量,工作介质SF6和D2的分压比为10∶1及输出镜反射率为30%时最佳,正常辉光放电状态下提高充电电压有利于增加单脉冲能量,且对于每个电压存在使能量最大的最佳气压值。激光脉冲宽度随工作气体分压比及总气压的增大不断变窄,但随充电电压和输出镜反射率的升高不断变宽。综合考虑输出能量和激光脉宽,激光峰值功率的总体变化趋势与能量一致,但二者取得最大值所对应的气体参数及输出镜参数存在差别。

非链式HF/DF激光器的研究进展

HF/DF激光器是中红外波段能提供最高能量输出的激光光源,也是中红外波段应用非常广泛的相干光源。本文介绍了近几年国内外关于非链式HF/DF激光器的研究进展及其成果应用,分析了非链式HF/DF激光器在应用方面的优缺点,总结了实现非链式HF/DF激光输出的关键技术和存在的问题,指出了该技术的未来发展方向。

CO_2激光辐照氧化矾热像仪的实验

为了研究波段内激光辐照焦平面阵列热像仪时的性能表现,设计了一系列视场内辐照实验。理论上采用了平顶高斯函数和有限个复高斯函数之和模拟激光器输出的平顶型光束以及激光器输出镜和光路中各种光学元件构成的光阑,结合近轴光学系统的柯斯林光束衍射公式计算了激光光束的传递以及变换。在实验中,通过在光路中放置单透镜光学元件以及调节该元件和激光器与热像仪之间距离的方法实现了实验室激光光束对热像仪的有效干扰。实验结果表明,通过设计的光路,连续的低功率激光能够对热像仪成像形成干扰,激光光束在热像仪焦平面上形成的弥散斑能覆盖热像仪近30%的像元,使热像仪无法识别背景目标物。理论分析与实验结果相符。

激光脉冲串对电荷耦合器件积累损伤效应研究

为了研究激光脉冲串对光电系统的损伤和致盲机理,开展了重频纳秒激光对黑白行间转移相机电荷耦合器件的损伤实验研究。实验结果表明:存在两种积累损伤效应机理,多个脉冲到达CCD靶面同一位置的损伤或致盲具有积累效应,多个脉冲积累损伤能够显著降低线损伤和全靶面损伤阈值,降低程度与脉冲个数、激光到靶能量密度有关。致盲机理与单脉冲致盲机理相同,均表现为器件垂直转移电路间及地间的短路;而激光脉冲串到达CCD靶面的不同位置也能够实现器件的功能性失效,其机制与单脉冲损伤显著不同,仅表现为线损伤的叠加,并未造成器件电路紊乱,功能性损伤阈值即对应线损伤阈值660 mJ/cm^2,而小于单次致盲阈值1 500~2 200 mJ/cm^2。

高功率半导体激光对光学元件损伤特性

为研究880 nm高功率半导体连续激光器对光学元件的损伤特性,选择了K9玻璃、ZnSe晶体和无氧铜进行镀膜加工,形成高反射率和高透过率的光学元件。通过调节到达光学元件表面的平均功率和改变光斑大小来改变光学元件表面的功率密度,并连续照射30 s,最终通过显微镜来观察元件的激光损伤形貌。研究结果表明:镀高反膜的K9玻璃在功率密度达到600 W/cm2时,膜系表面出现烧熔现象,当达到1 000 W/cm2时出现炸裂现象,而无氧铜基底镀金反射镜在上述功率密度下未发现损伤;而镀增透膜的ZnSe晶体在激光功率密度高达1 000 W/cm2时,通过显微镜观察没有发现明显的损伤,热像仪显示基底温升为5℃。

中红外固体激光器研究进展

本文介绍了中红外固体激光器中新型的Fe^2＋∶Zn Se激光器和基于Mg O∶PPLN、Zn Ge P2晶体的光参量振荡器的发展现状,讨论了它们在发展过程中遇到的技术难题,探讨了中红外固体激光器的未来发展方向。波长为3~5μm的中红外固体激光器具有效率高、体积小和重量轻等优点,在工业、医疗、军事等方面具有重要应用价值,研制大尺寸、高质量中红外激光晶体和输出波长更长的红外高功率激光泵浦源已成为中红外固体激光器未来发展方向之一。

坐标缩放激光角谱传输及在激光光学系统中的应用

提出了坐标可缩放的激光传输角谱算法,用于评估激光光学系统性能并分析其系统公差。考虑Collins公式可用于计算激光光束在光学系统中的衍射传输过程,对该积分公式进行了坐标代换,将衍射积分公式转换为角谱传输过程,并引入坐标缩放因子,实现了目标面尺寸的自由选择,提高了激光传输计算的准确性。设计了一套激光传输系统,定义占有86.5%桶中功率的光斑尺寸为光斑半径,用提出的算法对激光光束传输公差进行了分析。分析表明：作用距离为90m时,焦面激光光斑的半径为0.8~1.4mm,期望值为0.92mm,实验测量值为1.01mm;作用距离为49m时,焦面激光光斑的半径为0.42~0.73mm,期望值为0.48mm,实验测量值为0.46mm,实验结果与公差分析相符。另外,通过公差分析验证了激光光束在光学系统中的焦移现象。由角谱法对激光传输系统的理论分析与实验结果相符,证明了该方法用于激光聚焦光学系统设计的可行性。

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/cm^(2),1.56J/cm^(2),1.44J/cm^(2)和1.42J/cm^(2),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。

应用Collins公式和像差的Zernike展开分析激光光束在实际光学系统传输特性

在Collins公式基础上,将像差项用Zernike多项式展开后加入衍射积分,获取实际激光光束通过光学系统后的光强分布。对相关理论进行仿真,验证了理论的正确性。同时针对实际激光聚焦光学系统,从统计规律角度分析了系统公差引入对Gaussian光束聚焦光斑带来的影响。计算结果表明聚焦光斑总体随波像差RMS值增大而增大,不同像差分布形式对聚焦光斑特性影响较大。未分配系统公差时,激光聚焦光斑半径为1.520 mm;引入系统公差后,聚焦光斑半径有90%概率小于2.085 mm,平均值为1.700 mm,标准偏差为0.238 mm。

多束部分相干光抑制光强闪烁效应的仿真实验研究

为了有效抑制激光大气传输过程中引起的闪烁效应,本文围绕照明光束相干性与闪烁指数关系展开研究。首先,明确闪烁效应产生机理,建立与光束相干性相关的数学模型。然后,采用偏振分光元件将出射激光分为4束,并破坏其相干性。在此基础上,以随机相位屏为核心元件构建大气湍流仿真实验装置,评估不同光束相干性条件下的远场光斑闪烁指数。实验结果表明,4束光照明的光斑闪烁指数比单光束照明降低了75%。理论分析及实验结果均证明了多束部分相干光在抑制光强闪烁效应方面的有效性。