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1064nm纳秒激光对熔石英元件后表面击穿的实验与数值研究

沈超 程湘爱 田野 许中杰 江天

1064nm纳秒激光对熔石英元件后表面击穿的实验与数值研究

沈超, 程湘爱, 田野, 许中杰, 江天
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  • 对1064 nm纳秒激光辐照下熔石英元件后表面损伤过程进行了时间分辨诊断. 利用基于偏振原理的单发双帧阴影成像系统捕捉了脉冲上升沿开始到数百纳秒尺度内的瞬态材料响应,并结合剪切干涉成像系统分析了空气端等离子体微喷现象. 结果表明,损伤在脉冲上升沿就已经发生,此时空气端等离子体的膨胀速度高达20 km/s,同时材料内部也存在高速扩张的不透明损伤区域,但其扩张过程在脉冲结束后迅速停止;损伤发生后数十纳秒后,空气端出现大量中性物质喷发. 基于激光支持的固态吸收波前模型与相爆炸理论对这些现象进行了讨论. 对空气端等离子体扩张过程进行了数值模拟,结果表明空气端等离子体压强、温度与密度等参数值随延迟增加迅速下降,其瞬态压强最高达600 MPa;模拟结果还预测了向内扩张的内激波的形成. 研究结果对理解熔石英元件的损伤机理有重要意义.
      通信作者: 江天, jiangtian198611@163.com
    • 基金项目: 国防科技大学光电科学与工程学院科研基金(批准号:0100070014007)资助的课题.
    [1]

    Genin F Y, Feit M D, Kozlowski M R, Rubenchik A M, Salleo A, Yoshiyama J 1972 Appl. Phys. Lett. 21 364

    [2]

    Boling N L, Dub G, Crisp M D 1972 Appl. Phys. Lett. 21 364

    [3]

    Shen C, Chambonneau M. , Cheng X A, Xu Z J, Jiang T 2015 Appl. Phys. Lett. 107 1111101

    [4]

    Raman R A, Negres R A, Demos S G 2011 Appl. Phys. Lett. 98 051901

    [5]

    Raman R N, Elhadj S, Negres R A, Matthews M J, Feit M D, Demos S G 202 Opt. Express 20 27708

    [6]

    Demos S G, Negres R A, Raman R N, Rubenchik A M, Feit M D 2013 Laser Photon. Rev. 7 444

    [7]

    Liu H J, Zhou X D, Huang J, Wang F R, Jiang X , Huang J, Wu W D, Zheng W G 2011 Acta Phys. Sin. 60 065202 (in Chinese) [刘红婕, 周信达, 黄进, 王凤蕊, 蒋晓东,黄竞, 吴卫东, 郑万国 2011 物理学报 60 065202]

    [8]

    Diaz R, Chambonneau M, Courchinoux R, Grua P, Luce J, Rullier J L, Natoli J Y, Lamaignre L 2014 Opt. Lett. 39 674

    [9]

    Chambonneau M, Diaz R, Grua P, Rullier J L, Duchateau G, Natoli J Y, Lamaignere L 2014 Appl. Phys. Lett. 104 021121

    [10]

    Ma B, Ma H P, Jiao H F, Cheng X B, Wang Z S 2013 Opt. Eng. 52 116106

    [11]

    Liu H J, Wang F R, Luo Q, Zhang Z, Huang J, Zhou X D, Jiang X D, Wu W D, Zheng W G 2012 Acta Phys. Sin. 61 076103 (in Chinese) [刘红婕, 王凤蕊, 罗青, 张振, 黄进, 周信达, 蒋晓东, 吴卫东, 郑万国 2012 物理学报 61 076103]

    [12]

    Smith A V, Do B T 2008 Appl. Opt. 47 4812

    [13]

    Shen C, Cheng X A, Jiang T, Zhu Z W, Dai Y F 2015 J. Phys. D: Appl. Phys. 48 155501

    [14]

    Hayasaki Y, Isaka M, Takita A, Juodkazis S 2011 Opt. Express 19 5725

    [15]

    Wu J, Li X W, Li Y, Yang Z F, Shi Z Q, Jia Sh L, Qiu A C 2014 Acta Phys. Sin. 64 125206 (in Chinese) [吴坚, 李兴文, 李阳,杨泽锋, 史宗谦, 贾申利, 邱爱慈 2014 物理学报 63 125206]

    [16]

    Sun W, Qi H J, Fang Z, Yu Z K, Yi K, Shao J D 2014 Appl. Surf. Sci. 30979

    [17]

    Temple P, Soileau M J 1981 IEEE J. Quantum Elect. 17 2067

    [18]

    Miloshevsky A, Harilal S S, Miloshevsky G, Hassanein A 2014 Phys. Plasmas 21 083504

    [19]

    Raman R N, Negres R A, Demos S G 2011 Opt. Eng. 50 013602

    [20]

    Mao S S, Mao X L, Greif R, Russo R E 2000 Appl. Phys. Lett. 77 2464

    [21]

    Carr C W, Bude J D, Demange P 2010 Phys. Rev. B 82 184304

    [22]

    Carr C W, Radousky H B, Rubenchik A M, Feit M D, Demos S G 2004 Phys. Rev. Lett. 92 087401

    [23]

    Grua P, Hbert D, Lamaignre L, Rullier L 2014 Phys. Plasmas 21 083112

    [24]

    Demange P, Negres R A, Raman R N, Colvin J D, Demos S G 2011 Phys. Rev. B 84 054118

    [25]

    Colvin J D, Legrand M, Remington B A, Schurtz G, Weber S V 2003 J. Appl. Phys. 93 5287

    [26]

    Wei W F, Li X W, Wu J, Yang Z F, Jia S L, Qiu A C 2014 Phys. Plasmas 21 083112

    [27]

    Yang Z F, Wei W F, Han J X, Wu J, Li X W, Jia S L 2015 Phys. Plasmas 22 073511

    [28]

    Oh S Y, Singh J P, Lim C 2014 Appl. Opt. 53 3593

    [29]

    Hong Y J, Oh S Y, Ha S Y, Kim H J, Lim C W 2014 IEEE Trans. Plasma Sci. 42 820

    [30]

    Tatarakis M, Davies J R, Lee P, Norreys P A, Kassapakis N G, Beg F N, Bell A R, Haines M G, Dangor A E 1998 Phys. Rev. Lett. 81 999

    [31]

    Singh R P, Gupta S L, Thareja R K 2013 Phys. Plasmas 20 123509

    [32]

    Liu T H, Gao X, Hao Z Q, Liu Z H, Lin J Q 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 485207

    [33]

    Crisp M D,Boling N L, Dub G 1972 Appl. Phys. Lett. 21 364

    [34]

    Porneala C,David A W 2006 Appl. Phys. Lett. 89 211121

    [35]

    Resśguier T D, Cottet F 1995 J. Appl. Phys. 77 3756

    [36]

    Harilal S S, Miloshevsky G V, Diwakar P K, Lahaye N L, Hassanein A 2012 Phys. Plasmas 19 083504

    [37]

    Wen S B, Mao X L, Greif R, Russo R E 2007 J. Appl. Phys. 101 023114

    [38]

    Wen S B, Mao X L, Greif R, Russo R E 2007 J. Appl. Phys. 101 123105

  • [1]

    Genin F Y, Feit M D, Kozlowski M R, Rubenchik A M, Salleo A, Yoshiyama J 1972 Appl. Phys. Lett. 21 364

    [2]

    Boling N L, Dub G, Crisp M D 1972 Appl. Phys. Lett. 21 364

    [3]

    Shen C, Chambonneau M. , Cheng X A, Xu Z J, Jiang T 2015 Appl. Phys. Lett. 107 1111101

    [4]

    Raman R A, Negres R A, Demos S G 2011 Appl. Phys. Lett. 98 051901

    [5]

    Raman R N, Elhadj S, Negres R A, Matthews M J, Feit M D, Demos S G 202 Opt. Express 20 27708

    [6]

    Demos S G, Negres R A, Raman R N, Rubenchik A M, Feit M D 2013 Laser Photon. Rev. 7 444

    [7]

    Liu H J, Zhou X D, Huang J, Wang F R, Jiang X , Huang J, Wu W D, Zheng W G 2011 Acta Phys. Sin. 60 065202 (in Chinese) [刘红婕, 周信达, 黄进, 王凤蕊, 蒋晓东,黄竞, 吴卫东, 郑万国 2011 物理学报 60 065202]

    [8]

    Diaz R, Chambonneau M, Courchinoux R, Grua P, Luce J, Rullier J L, Natoli J Y, Lamaignre L 2014 Opt. Lett. 39 674

    [9]

    Chambonneau M, Diaz R, Grua P, Rullier J L, Duchateau G, Natoli J Y, Lamaignere L 2014 Appl. Phys. Lett. 104 021121

    [10]

    Ma B, Ma H P, Jiao H F, Cheng X B, Wang Z S 2013 Opt. Eng. 52 116106

    [11]

    Liu H J, Wang F R, Luo Q, Zhang Z, Huang J, Zhou X D, Jiang X D, Wu W D, Zheng W G 2012 Acta Phys. Sin. 61 076103 (in Chinese) [刘红婕, 王凤蕊, 罗青, 张振, 黄进, 周信达, 蒋晓东, 吴卫东, 郑万国 2012 物理学报 61 076103]

    [12]

    Smith A V, Do B T 2008 Appl. Opt. 47 4812

    [13]

    Shen C, Cheng X A, Jiang T, Zhu Z W, Dai Y F 2015 J. Phys. D: Appl. Phys. 48 155501

    [14]

    Hayasaki Y, Isaka M, Takita A, Juodkazis S 2011 Opt. Express 19 5725

    [15]

    Wu J, Li X W, Li Y, Yang Z F, Shi Z Q, Jia Sh L, Qiu A C 2014 Acta Phys. Sin. 64 125206 (in Chinese) [吴坚, 李兴文, 李阳,杨泽锋, 史宗谦, 贾申利, 邱爱慈 2014 物理学报 63 125206]

    [16]

    Sun W, Qi H J, Fang Z, Yu Z K, Yi K, Shao J D 2014 Appl. Surf. Sci. 30979

    [17]

    Temple P, Soileau M J 1981 IEEE J. Quantum Elect. 17 2067

    [18]

    Miloshevsky A, Harilal S S, Miloshevsky G, Hassanein A 2014 Phys. Plasmas 21 083504

    [19]

    Raman R N, Negres R A, Demos S G 2011 Opt. Eng. 50 013602

    [20]

    Mao S S, Mao X L, Greif R, Russo R E 2000 Appl. Phys. Lett. 77 2464

    [21]

    Carr C W, Bude J D, Demange P 2010 Phys. Rev. B 82 184304

    [22]

    Carr C W, Radousky H B, Rubenchik A M, Feit M D, Demos S G 2004 Phys. Rev. Lett. 92 087401

    [23]

    Grua P, Hbert D, Lamaignre L, Rullier L 2014 Phys. Plasmas 21 083112

    [24]

    Demange P, Negres R A, Raman R N, Colvin J D, Demos S G 2011 Phys. Rev. B 84 054118

    [25]

    Colvin J D, Legrand M, Remington B A, Schurtz G, Weber S V 2003 J. Appl. Phys. 93 5287

    [26]

    Wei W F, Li X W, Wu J, Yang Z F, Jia S L, Qiu A C 2014 Phys. Plasmas 21 083112

    [27]

    Yang Z F, Wei W F, Han J X, Wu J, Li X W, Jia S L 2015 Phys. Plasmas 22 073511

    [28]

    Oh S Y, Singh J P, Lim C 2014 Appl. Opt. 53 3593

    [29]

    Hong Y J, Oh S Y, Ha S Y, Kim H J, Lim C W 2014 IEEE Trans. Plasma Sci. 42 820

    [30]

    Tatarakis M, Davies J R, Lee P, Norreys P A, Kassapakis N G, Beg F N, Bell A R, Haines M G, Dangor A E 1998 Phys. Rev. Lett. 81 999

    [31]

    Singh R P, Gupta S L, Thareja R K 2013 Phys. Plasmas 20 123509

    [32]

    Liu T H, Gao X, Hao Z Q, Liu Z H, Lin J Q 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 485207

    [33]

    Crisp M D,Boling N L, Dub G 1972 Appl. Phys. Lett. 21 364

    [34]

    Porneala C,David A W 2006 Appl. Phys. Lett. 89 211121

    [35]

    Resśguier T D, Cottet F 1995 J. Appl. Phys. 77 3756

    [36]

    Harilal S S, Miloshevsky G V, Diwakar P K, Lahaye N L, Hassanein A 2012 Phys. Plasmas 19 083504

    [37]

    Wen S B, Mao X L, Greif R, Russo R E 2007 J. Appl. Phys. 101 023114

    [38]

    Wen S B, Mao X L, Greif R, Russo R E 2007 J. Appl. Phys. 101 123105

  • [1] 韩伟, 冯斌, 郑奎兴, 朱启华, 郑万国, 巩马理. 高功率激光装置熔石英紫外损伤增长研究. 物理学报, 2016, 65(24): 246102. doi: 10.7498/aps.65.246102
    [2] 刘红婕, 黄进, 王凤蕊, 周信达, 蒋晓东, 吴卫东. 熔石英表面热致应力对激光损伤行为影响的研究. 物理学报, 2010, 59(2): 1308-1313. doi: 10.7498/aps.59.1308
    [3] 张丽娟, 张传超, 陈静, 白阳, 蒋一岚, 蒋晓龙, 王海军, 栾晓雨, 袁晓东, 廖威. 激光诱导熔石英表面损伤修复中的气泡形成和控制研究. 物理学报, 2018, 67(1): 016103. doi: 10.7498/aps.67.20171839
    [4] 王凤蕊, 黄进, 刘红婕, 周信达, 蒋晓东, 吴卫东, 郑万国. 激光诱导HF酸刻蚀后熔石英后表面划痕的损伤行为研究. 物理学报, 2010, 59(7): 5122-5127. doi: 10.7498/aps.59.5122
    [5] 刘红婕, 周信达, 黄进, 王凤蕊, 蒋晓东, 黄竞, 吴卫东, 郑万国. 355 nm纳秒紫外激光辐照下熔石英前后表面损伤的对比研究. 物理学报, 2011, 60(6): 065202. doi: 10.7498/aps.60.065202
    [6] 刘红婕, 王凤蕊, 罗青, 张振, 黄进, 周信达, 蒋晓东, 吴卫东, 郑万国. K9和熔石英玻璃纳秒基频激光损伤特性的实验对比研究. 物理学报, 2012, 61(7): 076103. doi: 10.7498/aps.61.076103
    [7] 蒋勇, 贺少勃, 袁晓东, 王海军, 廖威, 吕海兵, 刘春明, 向霞, 邱荣, 杨永佳, 郑万国, 祖小涛. CO2激光光栅式扫描修复熔石英表面缺陷的实验研究与数值模拟. 物理学报, 2014, 63(6): 068105. doi: 10.7498/aps.63.068105
    [8] 刘春明, 杨亮, 晏中华, 蒋勇, 王海军, 廖威, 向霞, 贺少勃, 吕海兵, 袁晓东, 郑万国, 祖小涛. CO2激光局域辐照对熔石英损伤特性的影响. 物理学报, 2013, 62(9): 094701. doi: 10.7498/aps.62.094701
    [9] 蒋勇, 袁晓东, 王海军, 廖威, 刘春明, 向霞, 邱荣, 周强, 高翔, 杨永佳, 郑万国, 祖小涛, 苗心向. 退火对熔石英表面损伤修复点损伤增长的影响. 物理学报, 2016, 65(4): 044209. doi: 10.7498/aps.65.044209
    [10] 章春来, 刘春明, 向霞, 戴威, 王治国, 李莉, 袁晓东, 贺少勃, 祖小涛. 裂纹或气泡对熔石英损伤修复坑场调制的近场模拟. 物理学报, 2012, 61(12): 124214. doi: 10.7498/aps.61.124214
    [11] 白阳, 张丽娟, 廖威, 周海, 张传超, 陈静, 叶亚云, 蒋一岚, 王海军, 栾晓雨, 袁晓东, 郑万国. 熔石英损伤修复坑下游光场调制的数值模拟与实验研究. 物理学报, 2016, 65(2): 024205. doi: 10.7498/aps.65.024205
    [12] 夏志林, 郭培涛, 薛亦渝, 黄才华, 李展望. 短脉冲激光诱导薄膜损伤的等离子体爆炸过程分析. 物理学报, 2010, 59(5): 3523-3530. doi: 10.7498/aps.59.3523
    [13] 赵兴海, 胡建平, 高杨, 潘峰, 马平. 真空条件下激光诱导光纤损伤特性研究. 物理学报, 2010, 59(6): 3917-3923. doi: 10.7498/aps.59.3917
    [14] 王坤鹏, 闫石. 不同荷电态替位缺陷Sp对磷酸二氢钾激光损伤的影响. 物理学报, 2011, 60(9): 097401. doi: 10.7498/aps.60.097401
    [15] 傅喜泉, 郭 弘. x射线激光在激光等离子体中传输变化及其对诊断的影响. 物理学报, 2003, 52(7): 1682-1687. doi: 10.7498/aps.52.1682
    [16] 于全芝, 李玉同, 蒋小华, 刘永刚, 王哲斌, 董全力, 刘 峰, 张 喆, 黄丽珍, C. Danson, D. Pepler, 丁永坤, 傅世年, 张 杰. 激光等离子体的电子温度对Thomson散射离子声波双峰的影响. 物理学报, 2007, 56(1): 359-365. doi: 10.7498/aps.56.359
    [17] 张秋菊, 盛政明, 苍 宇, 张 杰. 激光脉冲诱导的等离子体密度调制及其产生的相位反射. 物理学报, 2005, 54(9): 4217-4222. doi: 10.7498/aps.54.4217
    [18] 徐 慧, 盛政明, 张 杰. 相对论效应对激光在等离子体中的共振吸收的影响. 物理学报, 2006, 55(10): 5354-5361. doi: 10.7498/aps.55.5354
    [19] 李百慧, 高勋, 宋超, 林景全. 磁空混合约束激光诱导Cu等离子体光谱特性. 物理学报, 2016, 65(23): 235201. doi: 10.7498/aps.65.235201
    [20] 王薇, 张杰, V.K.Senecha. 对激光等离子体中X射线的产生与辐射加热研究. 物理学报, 2002, 51(3): 590-595. doi: 10.7498/aps.51.590
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-21
  • 修回日期:  2016-05-18
  • 刊出日期:  2016-08-05

1064nm纳秒激光对熔石英元件后表面击穿的实验与数值研究

  • 1. 国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 长沙 410073;
  • 2. 国防科学技术大学, 高性能计算国家重点实验室, 长沙 410073;
  • 3. 国防科学技术大学 机电工程与自动化学院, 长沙 410073
  • 通信作者: 江天, jiangtian198611@163.com
    基金项目: 

    国防科技大学光电科学与工程学院科研基金(批准号:0100070014007)资助的课题.

摘要: 对1064 nm纳秒激光辐照下熔石英元件后表面损伤过程进行了时间分辨诊断. 利用基于偏振原理的单发双帧阴影成像系统捕捉了脉冲上升沿开始到数百纳秒尺度内的瞬态材料响应,并结合剪切干涉成像系统分析了空气端等离子体微喷现象. 结果表明,损伤在脉冲上升沿就已经发生,此时空气端等离子体的膨胀速度高达20 km/s,同时材料内部也存在高速扩张的不透明损伤区域,但其扩张过程在脉冲结束后迅速停止;损伤发生后数十纳秒后,空气端出现大量中性物质喷发. 基于激光支持的固态吸收波前模型与相爆炸理论对这些现象进行了讨论. 对空气端等离子体扩张过程进行了数值模拟,结果表明空气端等离子体压强、温度与密度等参数值随延迟增加迅速下降,其瞬态压强最高达600 MPa;模拟结果还预测了向内扩张的内激波的形成. 研究结果对理解熔石英元件的损伤机理有重要意义.

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