单脉冲和多脉冲飞秒激光对单层光学薄膜的损伤

利用掺钛的蓝宝石飞秒激光系统输出的单脉冲和多脉冲飞秒激光(中心波长800 nm,脉宽50fs,靶面聚焦直径40μm),分别对BK7玻璃基底上厚约500 nm的单层HfO2和单层ZrO2薄膜进行辐照,得到了这两种薄膜在1-on-1和1 000-on-1测试方法下的激光损伤阈值。实验发现,两种方法下HfO2单层膜的阈值均比ZrO2单层膜的阈值高。从简化的Keldysh多光子离化理论出发,认为HfO2薄膜材料的带比ZrO2的宽是导致上述结果的主要原因。同时,同一种薄膜的多脉冲下的阈值比单脉冲下的低,原因是多脉冲下,飞秒激光对光学薄膜的损伤存在累积效应。

基于Fokker-Planck方程的电介质材料短脉冲激光破坏机制分析

基于Pokker-Planck方程,建立一个描述短脉冲激光作用下电介质材料中导带电子能量分布随时间变化的模型,用数值方法计算电子能量分布与电子数密度随时间的演化过程,根据临界等离子体密度准则得到了不同激光脉冲宽度和波长下电介质材料(以SiO2为例)的破坏阈值。结果发现,尽管激光波长通过3种途径对材料破坏阈值的确定产生影响,但三者的共同作用导致在激光波长分别为1 060,800,532 nm时材料破坏阈值随脉宽变化曲线十分接近。讨论了碰撞电离、光致电离两种机制对材料激光破坏分别所起的作用:当激光脉宽大于1 ps时,碰撞电离对材料的破坏起主要作用;当激光脉宽小于1 ps时,光致电离对破坏阈值的影响越来越明显,但是碰撞电离仍然不可忽略,碰撞电离与光致电离同时起重要作用。

大口径衍射光栅10ps激光损伤阈值测量(英文)

在采用啁啾脉冲放大技术的高功率短脉冲激光装置中,终端衍射光栅的损伤阈值是限制装置输出能力的瓶颈之一。提出了测量大口径光栅损伤阈值的方法。该方法通过在线监测采集大口径光斑的同发近场光强分布情况和相应的光栅损伤图像,并经过一系列后期图像数据处理,建立起能量与损伤点的对应关系,经过一个测试光斑便可获得所有通量下的光栅损伤特性。该测量方法对光斑均匀性没有硬性要求,为损伤测量装置中难以解决的光斑均匀性问题提出了新的应对思路和方法。

光学薄膜激光诱导损伤机理研究(英文)

基于电子密度演化模型,借助数值方法,研究了飞秒激光作用下光学薄膜内的电子密度演化过程,讨论了初始电子密度Ni和激光脉冲宽度τ对光学薄膜激光损伤阈值Fth的影响,分析了激光诱导薄膜损伤过程中MPI和AI的性质和作用.研究结果表明,对应于一定的脉宽,存在一个临界初始电子密度,当Ni低于这一临界密度时,Fth不受Ni影响;当Ni高于临界密度时,Fth随Ni增加而降低.临界初始电子密度随着脉宽的减小而增加。对于FS和BBS介质薄膜,Fth随脉宽的增加而升高。初始电子密度Ni对BBS中的MPI和AI基本没有影响;同样Ni对FS中的AI基本不产生影响,但当Ni>1011cm-3时,FS中MPI电子密度随Ni增加而降低.在所研究的脉宽范围τ∈[0.01,5]ps,AI是FS介质激光诱导损伤的主要机制.而对于BBS,当脉宽τ∈[0.03,5]ps,AI是激光诱导损伤的主要机制;当脉宽τ∈[0.01,0.03]ps,MPI在激光诱导损伤中占主导地位.

初始电子密度对光学薄膜激光损伤机制的影响(英文)

光学元件的激光损伤问题是激光器件向高功率密度方向发展中必须认识和克服的问题.基于Forkker-Planck方程,研究了激光与材料相互作用时的雪崩电离机制、多光子电离机制以及联合两种机制的情况.雪崩电离的产生需要一定密度的初始自由电子存在,该自由电子可以是材料中原本就存在的,也可能是光电离产生的.着重分析了材料中的初始自由电子对材料电离机制的影响.结果表明,雪崩过程在激光作用一段时间后会达到一个稳定的电离阶段(以自由电子平均能量不随时间变化为特征,且此时雪崩电离为材料电离的主导机制),该时间与光电离速率、材料中初始自由电子密度有关.材料中的初始自由电子可以在一定程度上掩盖光电离的作用效果.

短脉冲激光辐照下熔融石英薄膜的损伤机理

激光诱导薄膜损伤过程中,雪崩离化(AI)和多光子离化(MPI)的性质和作用到目前仍然存在争议。基于STUART等人的电子密度演化方程,运用数值模拟方法,研究了脉宽为τ∈[0.01,5]ps范围内单脉冲激光作用下熔融石英薄膜中电子密度演化过程;讨论了初始电子密度、激光脉冲宽度对阈值功率密度和阈值能量的影响;分析了初始电子密度、激光脉冲宽度对多光子离化及雪崩离化的影响。研究结果表明,在所研究的脉宽范围内,对于熔融石英光学薄膜、飞秒激光诱导损伤以雪崩离化为主导,多光子离化的影响随着脉宽的降低而增强,雪崩离化所需种子电子主要来源于多光子离化。

脉冲宽度对短脉冲激光诱导材料损伤研究

多光子离化和雪崩离化是激光诱导薄膜材料损伤的主要机理,但是其各自起到的作用随激光脉宽的变化是不同的.本文基于Stuart等人的电子密度演化方程,运用数值模拟方法,研究了单脉冲激光作用下熔融石英中电子密度的演化过程;讨论了脉宽对阈值功率密度和薄膜损伤阈值的影响,脉宽对多光子离化和雪崩离化的影响.

激光辐射损伤阈值与激光脉宽相互关系的模拟计算(英文)

描述了一个超短脉冲引起的电介质激光损伤的理论模型，这个模型考虑了多光子电离、雪崩电离、电子－离子复合和电子扩散。通过假设激光脉冲为高斯型，数值计算得到了激光脉冲宽度与激光辐射损伤间的依赖关系。对于大于１０ｐｓ的脉冲宽度，数值结果与平方根关系符合很好，对于亚皮秒激光脉冲，通过适当选择损伤的评价标准，我们的模型解释了Ｄｕ等［１０］和Ｓｔｕａｒｔ［１１］等的相对实验结果。

激光损伤过程中导带电子产生机理

价带电子跃迁至导带形成自由电子,长激光脉冲作用时,自由电子吸收能量并传给晶格,使材料温度升高;短激光脉冲作用时,自由电子发生碰撞离化,使导带中电子数目急剧上升,当材料达到一定温度或自由电子达到临界浓度时便发生损伤.随着激光技术的发展,人们不断的完善导带电子的产生机理,以达到计算值与实验结果相一致;激光脉冲越短,越多的光—电子相互作用机制会影响导带电子的产生,雪崩离化、多光子离化、导带电子衰减及导带电子能量分布等相互耦合,导带自由电子的产生过程非常复杂.文中综述了激光损伤过程中导带电子产生的机理模型,并提出了应用于亚皮秒及飞秒激光脉冲的耦合多速率方程.

150fs～10ps脉宽下熔石英激光损伤的仿真与分析

基于约化电子数密度增长速率方程,建立了熔石英导带电子数密度随脉冲持续时间变化的模型。利用电子数临界密度这一概念,得到了150fs^10ps脉宽下,熔石英激光损伤阈值范围。分析表明,5~10ps,雪崩电离仍然起主要作用,而光致电离提供的初始电子使雪崩电离不再依赖材料原有的初始电子;当脉宽减小到约为4ps时,光致电离与雪崩电离作用相等;之后,光致电离起主要作用。通过仿真出的损伤阈值拟合,得到了该脉宽区间下新的脉宽定律:熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.38次方;考虑温度对熔石英损伤阈值的影响,熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.34次方。

超短脉冲强激光场中电子剩余能计算

为了控制光场感应电离等离子体的温度以使得基于光场感应电离机制的X射线激光辐射获得更高的增益值 ,利用准静态隧道电离模型 ,定量计算了电子剩余能量与激光偏振参量、波长 (频率 )、激光强度以及电离介质电离能的变化关系。计算结果表明线偏振短波长激光以及高电离能介质产生的等离子体中电子剩余能比较低 ,因此适合用作复合机制X射线激光 ;对于低价离子在偏振度α介于 0～ 1之间的某一处最高 ,因此 ,可以通过调整偏振度α ,获得某一椭圆偏振光 ,会更有利于基于光场感应电离电子碰撞机制X射线激光增益的提高。