193 nm紫外激光对单晶硅的损伤特性研究

主要开展了193 nm紫外激光对单晶硅的损伤实验,观察分析了材料表面的损伤形貌,建立了193 nm紫外激光损伤单晶硅的理论模型,计算分析了材料的温度场及应力场分布,讨论了损伤形貌及损伤机理。研究结果表明:193 nm紫外激光对单晶硅的损伤机理主要为热力耦合效应,硅材料表面产生严重的熔融烧蚀和裂纹状的应力损伤,计算得到193 nm紫外激光对单晶硅的熔融损伤阈值为0.71 J/cm^(2)、热应力损伤阈值为0.42 J/cm^(2)。

248nm紫外激光照射高温硫化硅橡胶实验及老化机理探讨

高温硫化硅橡胶(high-temperature vulcanizationsilicone rubber,HTV)通常作为特高压直流输电的复合绝缘子的外套材料,而其老化问题是危害输电线路可靠性的重要原因之一。文章通过248 nm紫外激光照射HTV进行了加速老化试验,并对照射前后样品进行了接触角、扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)、傅里叶红外变换光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)以及X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)测试。结果表明:在紫外激光照射下,样品接触角呈减小趋势;材料表面出现浅坑,粗糙度变大,部分填充物外露。结合FTIR和XPS的结果,初步探讨了紫外老化机理,分析认为:照射后的样品中有部分C-H键、Si-CH3键和Si-O-Si键被打断而形成自由基,同时形成了亲水性-COOH或者-CH2OH;在含氧气氛中,O和Si交联形成了SiOx(x=3或4)。紫外激光照射HTV造成了其物理老化和光氧化老化。

瓦级激光二极管端面抽运351nm紫外激光器

研制了输出功率达瓦级的351 nm准连续紫外激光器。激光器采用激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YLF晶体和声光调Q技术,实现了1 053 nm准连续基波振荡。在结构简单的V型腔中,两块Li B3O5(LBO)晶体对基频光进行二倍频和三倍频,获得了高功率351 nm准连续紫外激光输出。在LD抽运功率为14 W、声光调Q激光器的调制频率为1 k Hz的工作条件下,得到351 nm紫外激光平均输出功率为1.12 W、脉冲宽度为34 ns、单脉冲能量为1.12 m J、峰值功率达32.94 k W。LD抽运光到351 nm紫外激光的光-光转换效率达到8%,电光效率为3.4%,光束质量良好。

高能量高转换效率355 nm紫外激光器

为了得到一种三倍频效率高达60%的355 nm脉冲激光器,采用曲率半径分别为2 m的凹凸高斯镜和9 m的平凹全反镜组合作为谐振腔,加以电光调Q,得到1 064 nm高光束质量激光输出,再将其进行行波放大,获得重复频率10 Hz、脉宽7.3 ns、单脉冲能量1.01 J的1 064 nm基频光输出。利用Ⅰ类相位匹配LBO晶体进行二倍频、Ⅱ类相位匹配LBO晶体进行三倍频以得到波长为355 nm的紫外光输出。通过二倍频和三倍频输出特性和非线性晶体参数的分析和实验调试,最终获得了单脉冲能量为608 m J、脉宽为5.7 ns、线宽为2 nm的紫外激光输出。通过优化二倍频的转换效率,可使1 064 nm基频光到三倍频得到的355 nm紫外光的转换效率达60%。

蓝光二极管双端抽运Pr:YLF晶体320 nm紫外激光器(特邀)

设计了一种采用不同波长的蓝光二极管合光作为抽运源并采用双端抽运的方式抽运Pr:YLF晶体320 nm紫外激光器。该激光器结构采用V型折叠腔结构,使用波长分别为444 nm和469 nm、抽运功率分别为3 W和1.4 W的蓝光激光二极管作为抽运源,对12 mm长、0.3%掺杂浓度的Pr:YLF晶体进行抽运,并且使用三硼酸锂晶体作为倍频晶体来实现倍频,匹配方式为I类相位匹配。通过对谐振腔参数进行优化,当5700 mW的抽运功率注入晶体时,输出了1005 mW最大输出功率的320 nm紫外连续激光,光光转换效率约为17.6%。

实用化266nm紫外激光器的研究

报道了LD端面泵浦Nd∶YVO4晶体、声光调Q 1064 nm准连续紫外激光,采用LBO晶体和BBO晶体分别进行腔内二倍频和腔外四倍频,从而获得266 nm紫外激光输出,脉冲宽度22 ns、重复频率为20 kHz、平均功率1.12 W,光-光转换效率(532～266 nm)21.37%。

355nm紫外激光加工柔性线路板盲孔的研究

采用输出功率10 W的355 nm紫外激光器对4层柔性线路板(FPC)进行了盲孔加工实验。分析了紫外激光与铜箔和聚酰亚胺(PI)相互作用的过程和机理,并模拟出在一定条件下紫外激光与聚酰亚胺和铜箔相互作用时的单脉冲刻蚀深度。研究了不同加工方式对加工质量的影响,得到优化工艺参数为:第一次采用加工功率3.9 W,频率80 kHz,第二次将加工功率降到1.4 W,其他参数不变,此时加工盲孔的效果最为理想,重铸层粗糙度为0.88966μm,孔底粗糙度为1.063μm。给出了孔底表面的扫描电镜(SEM)图和针式台阶仪测量的盲孔底面三维轮廓及切面二维轮廓图。

高效率、高峰值功率351nm准连续紫外激光器

报道了一台高效率、高峰值功率351 nm紫外激光器。采用激光二极管(LD)端面抽运Nd:YLF晶体声光调Q获得准连续窄脉宽1 053 nm基波振荡,腔外两块LiB_3O_5(LBO)晶体紧贴输出镜放置,对基频光进行二倍频和三倍频,获得了高峰值功率351 nm紫外激光输出。在LD抽运功率为14 W、声光调Q激光器的调制频率为1 kHz的工作条件下,基波平均输出功率为1.45 W时,得到351 nm紫外激光平均输出功率450 mW,1 053 nm基频光到351 nm紫外光转换效率高达31.04%,脉冲宽度为7.5 ns,峰值功率达60 kW,光束质量良好。

紧凑型激光二极管端面抽运Nd:YVO_4内腔三倍频355nm紫外激光器

报道了一台激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO_4晶体,利用两块LBO晶体进行内腔二倍频和二倍频,实现了高效率、高峰值功率355 nm激光准连续输出的紧凑型全固态紫外激光器。激光腔采用简单平平直腔,腔长仅108 mm。当注入抽运功率6.76 W,重复频率20 kHz时,355 nm激光输出平均功率最高达245 mW,相应的光光转换效率为3.62%,脉冲宽度为8.0 ns,脉冲峰值功率为1.52 kW,输出功率短期不稳定性小于4.2%,光束质量良好。通过采用内腔倍频技术和设计合理的腔结构,整台激光器结构紧凑,体积小巧,便携性强,适合于中小功率紫外激光的输出,有利于进一步拓宽紫外激光器的应用领域。

基于157nm深紫外激光的蓝宝石基片微加工

为了探索157nm深紫外激光对蓝宝石材料的微加工技术,采用157nm激光微加工系统,对蓝宝石基片进行了扫描刻蚀和打孔加工,以研究激光工艺参量与刻蚀深度、表面形貌的关系,分析了157nm深紫外激光对蓝宝石材料的作用机理,并利用扫描刻蚀法在蓝宝石基片上加工了一个2维图形。由实验结果可知,157nm深紫外激光作用于蓝宝石材料是一个光化学作用与光热作用并存的加工过程,适合扫描刻蚀的加工参量为能量密度3.2J/cm^2,重复频率10Hz～20Hz,扫描速率0.15mm/min;在能量密度2.5J/cm^2下的刻蚀率为0.039μm/pulse。结果表明,通过对激光重复频率和扫描速度的控制可实现蓝宝石材料的精细微加工。

193nm深紫外固体激光技术探索

对193 nm深紫外激光技术实现途径进行了系统地分析,提出了一种可获得高重复频率、高光束质量的深紫外固体激光技术途径,分析了涉及的关键技术,对实用化深紫外固体激光源的研制具有一定的参考价值。

266nm紫外固体激光切割碳纤维复合材料的实验研究

为了研究266nm紫外固体激光切割碳纤维增强复合材料(CFRP)的工艺规律,采用单因素实验法、正交实验法和多元线性回归分析法,进行了266nm紫外固体激光切割CFRP的实验研究,得出了激光脉冲能量、扫描速率对切缝宽度和热影响区宽度的影响规律。结果表明,切缝宽度和热影响区宽度随激光脉冲能量的增大而增大,随扫描速率的增大而减小;实验中最小热影响区宽度为82μm,最小切缝宽度为50μm;激光扫描速率对切缝宽度影响的显著性水平更高,而激光脉冲能量对热影响区宽度影响的显著性水平更高;所获得的经验公式能够定量描述切缝宽度、热影响区宽度与激光脉冲能量、扫描速率之间的关系。本研究对266nm紫外固体激光切割CFRP的应用具有一定的参考意义。

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。

1064nm和355nm激光扫描刻蚀覆铜板工艺及质量研究

为了研究不同纳秒激光工艺参量(波长、能量密度、扫描速率)以及铜层厚度对激光刻蚀覆铜板质量(包括刻蚀深度及加工面粗糙度)的影响,采用50W的1064nm红外光纤激光器和10W的355nm紫外固体激光器对覆铜板进行了对比刻蚀实验。通过分析红外、紫外激光刻蚀覆铜板材料的作用机理并对比实验结果得知,采用1064nm红外光纤激光作为激光光源时,设置合适的刻蚀参量,能在完全去除铜箔层的条件下,最大限度地保证环氧树脂基底的完整性;而采用355nm的紫外激光作为激光光源时,因环氧树脂材料对紫外波段激光的高吸收率,以及紫外激光对有机材料的光化学作用,基底材料的损伤难以避免,此外,红外光纤激光具有较高的刻蚀效率。结果表明,综合光纤激光器高稳定性和高集成度的特点,若激光直接刻蚀技术被用于大规模覆铜板的工业加工中,红外光纤激光将更具优势性。

二极管泵浦Nd∶GdVO_4晶体紫外激光器的研究

报道了用BBO晶体对激光二极管泵浦Nd∶GdVO4晶体声光调Q1064nm激光进行四倍频,在泵浦功率为12.5W时,获得平均功率196mW准连续波266nm紫外激光输出,1064nm^266nm光-光转换效率为10.1%,532nm^266nm转换效率为30.1%。

高效率LD端面抽运准连续355nm激光器

报道了一台激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4晶体腔内倍频和腔外和频相结合的声光调Q准连续355 nm紫外激光器。采用LD端面抽运双侧翼键合YVO4基质的Nd∶YVO4晶体,在腔内置入Ⅰ类相位匹配的LiB3O5(LBO)晶体进行倍频实现1 064 nm和532 nm双波长准连续激光输出,通过消色差透镜将双波长激光聚焦耦合到Ⅱ类相位匹配的LBO晶体中进行和频,并采用双向和频光路,获得了高效率、高光束质量、高重复频率的准连续355 nm紫外激光输出。在抽运功率为28.6 W、重复频率为20 kHz时,355 nm激光最大输出功率4.2 W,脉宽为20.6 ns,光-光转换效率为14.7%,激光器光束质量因子Mx2和My2分别为1.29和1.23。

Cr^(4+):YAG被动调Q腔外三倍频紫外激光器

理论上分析了影响腔外三倍频输出效率的各因素,并对Cr4+∶YAG小信号透过率、输出镜透过率、聚焦透镜焦距、非线性晶体尺寸的优化选取以及各元件的合理放置进行了讨论。在最大抽运功率为17W的情况下,获得了336mW的355nm准连续紫外激光输出,重复频率为28kHz,脉宽12ns,单脉冲能量为12μJ,峰值功率为1kW,总的光-光转换效率为2%。

LD侧面抽运全固态Nd∶YAG紫外激光器的研究

为了使侧面抽运全固态355nm紫外激光器输出高质量光束的紫外激光,采用腔内光束传输矩阵模拟的方法,进行了谐振腔优化和腔内倍频和频结构设计。通过理论分析和实验验证,取得了输入电功率为280W、声光调制频率为40k Hz时,355nm紫外激光的输出功率为10.58W、激光脉冲宽度20ns、光束质量因子M2=1.3的数据。结果表明,侧面抽运腔内倍频与和频可实现近基模高功率紫外激光的输出。这一结果对紫外激光器的工程化有一定指导意义。

采用BBO晶体产生266 nm深紫外激光过程中的热特性研究

基于近红外波段1064 nm激光的四倍频过程是产生深紫外激光的有效技术手段之一。然而,非线性晶体在产生深紫外激光的过程中,晶体内部严重的非线性吸收带来的热效应会破坏其相位匹配条件,进而制约深紫外激光功率的提升。为此,在利用偏硼酸钡(BBO)晶体作为1064 nm近红外光四倍频过程的非线性转化介质的基础上,通过对不同匹配温度下的晶体内部温升情况进行研究,发现提高晶体匹配温度可以有效减缓晶体内部由非线性吸收引起的热效应,改善深紫外激光功率输出。最终,在晶体匹配温度为180℃、绿光输入功率为16 W时,获得了重复频率为20 kHz、单脉冲宽度为4 ns、平均功率为2.56 W的266 nm深紫外激光。通过建立BBO晶体非线性吸收理论模型,进一步计算了不同匹配温度、不同紫外激光功率下的非线性吸收系数和归一化色心密度,结果显示,非线性吸收系数与紫外激光功率强度正相关,并且在紫外激光功率均为2.25 W时,相较于60℃,匹配温度为180℃的晶体其非线性吸收系数减小了近63%,色心密度也降低了57%,该研究结果对实现高功率的266 nm深紫外激光的输出具有重要意义。

基于基频放大的紫外皮秒355 nm输出效率提升系统

在腔外和频获得紫外355 nm皮秒激光输出的过程中,和频晶体的长度是影响转换效率的重要因素.和频过程的激光输入参数和晶体吸收系数都会影响和频晶体的最适长度选取.目前缺乏对于腔外和频产生紫外355 nm激光过程中输入激光光子数配比以及晶体吸收对于和频晶体最适长度影响的研究.本文基于三波耦合方程进行了理论推导和数值模拟,讨论了不同入射条件下最高和频效率的稳态解,分析了不同光子数配比以及LiB3O5晶体吸收对于最适和频晶体长度的影响,提出了放大基频光同时缩短晶体长度并提高转换效率的方案.在该方案中,将1064 nm皮秒基频光在倍频产生532 nm二次谐波后进行分离放大,再与532 nm倍频光在LiB3O5晶体内进行和频,从而产生紫外355 nm皮秒激光输出.模拟结果表明,通过基频放大改变和频过程中的光子数配比,可以缩短取得最高转换效率的和频晶体最适长度,同时减少和频晶体对于355 nm激光的吸收和走离影响,输出功率较传统方案提升40%以上,从而获得了高效率紫外355 nm皮秒激光输出.