强激光烧蚀铝靶实验及数值模拟

为研究强激光对金属铝靶的毁伤效应及作用规律,进行了不同能量强脉冲激光烧蚀铝靶实验。采用纹影高速照相技术,观察了激光作用铝靶过程中形成的溅射产物和冲击波流场,获得了不同激光能量作用下铝靶的烧蚀特征。建立了强激光烧蚀铝靶的2维计算模型,对脉冲激光作用铝靶过程进行了数值模拟计算,获得了激光脉冲能量对铝靶烧蚀深度的影响规律。对连续强激光大光斑烧蚀铝靶过程进行了数值模拟计算,对比分析了有重力和无重力作用下烧蚀深度以及烧蚀形貌特征。结果表明,在重力作用下烧蚀深度小于无重力作用下的情况,而烧蚀面积大于无重力作用下的烧蚀面积。      

强脉冲激光烧蚀铝靶深度历史的蒸发凝结法模拟

为避免考虑强脉冲激光烧蚀过程涉及的复杂物理问题,提出一种用蒸发和凝结理论计算烧蚀坑深度历史的方法。给出了一定靶面压力和温度历史下的烧蚀深度历史计算公式,分析了脉冲宽度对计算准确度的影响。用该方法计算了脉宽为20 ns,波长为1.06μm,峰值强度为500 MW/cm2的脉冲激光烧蚀铝靶过程中光斑中心靶面烧蚀深度的历史,计算结果与文献符合良好。激光脉宽越长,该计算方法越有效。     

背景气压对纳秒脉冲激光烧蚀半导体Ge的影响

为了深入理解在纳秒激光烧蚀半导体材料过程中背景气压对烧蚀过程以及羽流膨胀动力学特性的影响,本文利用一维激光烧蚀和流体动力学耦合模型,对不同He气压下的纳秒脉冲激光烧蚀半导体Ge的过程进行了模拟计算.结果表明：在氦气环境下,背景气压的变化对辐照在靶面的激光能量影响较小,因此靶面蒸发率、靶面温度和靶面烧蚀深度对气压变化的敏感程度较低;同时,背景气压的增大抑制了羽流膨胀,使羽流膨胀速度减小.计算结果和分析对于优化纳秒激光烧蚀半导体时背景环境气压具有理论指导意义.     

紫外激光辐照RDX含能材料烧蚀特性研究

为了探究含能材料在紫外激光辐照下的烧蚀特点及规律，采用光学显微镜、扫描电子显微镜以及微粒计数器等表征手段，分别对不同质量、不同厚度的黑索今(research department explosive, RDX)含能材料在紫外激光(波长为355 nm)辐照下的烧蚀尺寸、烧蚀形貌以及冲击波引起的材料喷溅等特性进行表征与统计。研究结果表明，随着入射激光能量密度的不断增大，含能材料的横向烧蚀面积和纵向烧蚀深度均先增大后减小，且最终烧蚀面积保持在光斑面积大小，烧蚀深度保持在60 μm左右;对于激光烧蚀诱导的含能材料微粒喷溅，中尺寸的微粒数量呈现先增多后减少的趋势，而大尺寸的微粒数量却一直减少。与大光斑激光辐照相比较，在相同能量密度下，小光斑辐照时的横向烧蚀面积更小，烧蚀致微粒喷溅的作用更强。     

强激光辐照下硅材料的温度分布研究

激光辐照光电系统极易造成光电探测器件的干扰或破坏。为此研究了连续强激光对半导体材料的辐照效应,应用积分变换的方法,建立了平顶型的连续激光辐照硅材料的二维非稳态温度分布模型。研究发现：圆形平顶激光辐照硅材料靶,激光作用区域内的温度由光斑中心向四周逐渐降低,在作用区域边缘处温度变化比较明显;不同辐照时间下对应的靶材前表面温度的整体分布情况是大致相同的;在一定的激光功率密度和辐照时间条件下,材料靶表面的温升和靶材半径负相关。     

外加电场下激光诱导Al等离子体特性的实验研究

由Q-Nd∶YAG脉冲激光(波长1.06μm,脉宽10 ns)烧蚀Al靶产生等离子体.观测了在低气压和直流电场条件下的Al等离子体发射光谱.研究了激光功率密度和直流电场对各谱线强度的影响,分析了等离子体电子温度与激光能量之间的变化规律.结果表明,直流电场对铝原子谱线和离子谱线强度有显著的增强作用,铝等离子体的电子温度随激光功率密度持续增长.     

激光烧蚀靶材蒸发波模型的气体动力学与冲量耦合系数计算

本论文在Krokhin蒸发波模型气体动力学方程组的基础上,考虑了固体靶的熔解热以及沉积在液体层中的能量,通过迭带计算求解了激光烧蚀Al、Cu、Si、Ge样品材料时蒸发波的温度、压强、出射速度以及密度等气体动力学参量;利用改进的Pirri模型,计算了短脉冲激光与靶材料相互作用过程中的冲量耦合系数,讨论了样品尺寸以及光斑大小对于冲量耦合系数的影响.     

长脉冲激光损伤YAG晶体的研究

采用毫秒Nd∶YAG脉冲激光在不同的保护气体作用下对钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet,YAG)晶面单脉冲损伤及多脉冲切割进行了研究,激光损伤及切割断口形貌采用SEM进行表征。结果表明:单脉冲TEM00模式Nd∶YAG激光对YAG晶体损伤时,表面能够生成锥形烧蚀坑(钥匙孔),且烧蚀坑的熔融层约几个微米;毫秒多脉冲Nd∶YAG激光在Ar,N2,O2保护下切割YAG单晶体,切割深度与保护气第一电离能相关。切割状态下,断口出现爆沸现象,产生的气泡形貌与保护气氛有关。     

激光导引头角跟踪误差对激光精确制导的影响

为了使激光导引头能以较高的概率探测到制导激光且以较高的跟踪精度跟踪目标,评估了在制导过程中激光导引头对目标的视线角跟踪精度。在四象限探测器接收的光斑信号服从高斯分布的条件下,建立了光斑中心与偏差分量的关系,通过仿真验证了其正确性。将该关系作为试验标定拟合的关系,建立了光束偏转角关系。由于噪声干扰电流具有随机性,对光束偏转角在(0,0)处进行了二元泰勒展开,并得出了角跟踪误差的近似表达式,以角跟踪误差标准差作为激光导引头视线角跟踪精度的评价标准,结合制导激光在大气传输中的能量衰减,得出了角跟踪误差标准差与目标指示器参数、激光导引头参数以及作用距离的关系,研究了不同参数对角跟踪误差标准差的影响。结果表明:当信噪比一定时,角跟踪误差标准差随着光斑半径减小而减小,可通过调节光敏面的安装位置减小光斑半径,从而提高激光导引头的角跟踪精度;当光斑半径为1mm、噪声干扰电流标准差为0.2μA时,若目标指示器单脉冲能量为150mJ,则激光导引头对8km处目标的角跟踪误差标准差为0.973 7×10-3 rad;角跟踪误差标准差随着单脉冲能量的增大而减小,可通过提高目标指示器单脉冲能量从而提高激光导引头在特定作用距离处对目标的角跟踪精度。     

LOM技术中激光光斑半径的自动补偿算法

详细论述了分层实体制造技术中激光光斑半径的自动补偿问题，从实体截面轮廓边界的特点出发，根据截面上各轮廓顶点的凹凸性，轮廓边界的内外性及走向等，快速确定激光光斑半径的补偿矢量，从而为快速成形制造过程中激光光斑半径的自动补偿创造了条件。     

飞秒激光与金属作用机理

对脉冲激光沉积过程中激光和金属作用的微观机制进行了深入分析.通过双温方程模拟得到飞秒激光作用金靶材温度随时间变化的图像.该图像反应出激光和金属表面及内部晶格作用特点.进一步分析得知,当晶格温度大于金属沸点时将会产生高能的等离子体.通过数值模拟找出了产生等离子体所需激光的能量阈值,这样能够帮助纳米材料的制备者选择激光,制备出优质的纳米薄膜.     

脉冲固体激光束发散角的测试与研究

针对脉冲固体激光器激光束发散角的测量,分析了一些传统的测量方法。在烧蚀法的基础上,力图从光斑场空域强度着手,采用工程常用的半宽度定义,提出新的测量光斑半径的方法。     

利用双温模型理论分析飞秒激光烧蚀金过程

为了了解飞秒激光脉冲烧蚀金过程中的电子温度和晶格温度变化。利用显式有限差分法对飞秒激光脉冲烧蚀金的过程中电子和晶格的温度场进行一维数值计算。理论研究了不同激光脉宽和电声耦合系数对金属表层电子和晶格温度的影响,同时还研究了双脉冲激光烧蚀金过程中电子和晶格温度的变化。得出激光脉冲越短,加工热效应越小,多脉冲具有热累积效应。因此,为了实现飞秒激光冷加工,应该采用单个超短脉冲降低热效应。     

强噪声下激光光斑尺寸的估计

提出了加门限的滑动窗口一阶矩质心计算方法。该方法利用目标光斑与周围背景及噪声在形态分布以及灰度分布上的不同而提出的。从总光电子数、读出噪声方差、光斑尺寸和信号光斑质心与暗背景质心位置的距离四个方面将该算法与传统一阶矩质心计算方法进行了计算精度的对比。仿真和实验结果都表明,本文的算法较传统一阶矩方法在质心计算精度上有较大的提高。     

液相激光烧蚀合成TiO2纳米颗粒及其XPS研究

采用液相激光烧蚀法制备了二氧化钛纳米颗粒,研究了二氧化钛纳米颗粒的生长与微结构．XRD、TEM、XPS等表征表明：此方法可在室温条件下一步获得金红石型二氧化钛纳米颗粒胶体,颗粒直径约50nm,尺寸分布窄,分散性好,从而显示出良好的应用前景．结合微观表征与激光诱导的瞬态等离子体分析对TiO2纳米颗粒形成机理进行了探讨．     

脉冲CO2激光高精度烧蚀熔石英玻璃

激光抛光是一种能获得超光滑表面新颖的光学元件加工方法,但抛光后表面存在残余波纹和面形畸变.激光高精度烧蚀可用于对元件表面残余波纹和面形进行修正,是一种极具潜力的修形技术.本文开展了激光高精度烧蚀熔石英玻璃的实验,验证了脉冲CO2激光通过控制重叠率可以实现高精度的局部区域均匀烧蚀,并可通过控制激光功率密度获得不同纳米量级的烧蚀深度.但实验发现激光局部区域烧蚀过程存在热累积和过烧蚀的现象.为此建立三维数值模型模拟脉冲CO2激光扫描熔石英表面的过程,对不同重叠率及不同脉冲重复频率作用下熔石英表面温度分布及演变进行分析.数值计算结果表明,重叠率过高将导致熔石英过烧蚀;在合适的重叠率下,高脉冲重复频率会导致明显的热累积.     

高功率短脉冲激光照射下生物组织内的热传导研究

采用响应时间为1μs的超小型薄膜铂热电阻温度计及日本YOKOGAWA DL2700高速数字示波器，对微秒量级脉冲激光照射下离体动物组织内的热传导进行了实验研究，结果发现：在激光脉宽较短时，组织内出现了非傅时叶导热现象，脉宽越短，组织厚度越薄，非傅时叶导热特征越明显，功率密度和光斑直径只影响温度上升的高低，对是否会出现非傅里叶导热没有影响。     

飞秒激光在蓝宝石晶体表面加工微细结构的实验研究

由于蓝宝石晶体具有很高的硬度和耐磨蚀性,很难进行机械和化学腐蚀加工。笔者利用波长780 nm、频率1 kHz和脉冲宽度164 fs的飞秒脉冲激光在蓝宝石晶体表面进行了微细结构加工的实验研究。采用飞秒激光静态照射蓝宝石晶体表面,通过飞秒激光烧蚀孔的直径和脉冲能量的关系,计算了飞秒激光烧蚀蓝宝石晶体的两种烧蚀状态下的烧蚀阈值和有效烧蚀半径。通过直线扫描实验,在不同实验条件下在蓝宝石晶体表面加工微槽,获得微槽的宽度和深度与飞秒激光主要参数之间的关系。研究结果表明,微槽的加工表面可通过增加扫描次数而得到明显的提高,且扫描次数的增加对微槽的宽度和深度基本无影响。利用聚焦的飞秒激光束沿着轨迹扫描,在蓝宝石晶体表面加工出比较清洁的微小结构,可以为实现微结构的精密加工提供指导。