成都精密光学工程研究中心, 四川 成都 610041
研究了经过CO2激光处理的溶胶-凝胶SiO2薄膜的物理化学性能和抗激光损伤性能, 研究结果表明激光处理后薄膜表面变得更加光滑, 粗糙度从14.08 nm降低到9.76 nm, 下降了30%以上; 薄膜的厚度随着CO2激光处理功率增加有所降低, 经过20 W激光处理后薄膜的厚度下降了17%~28%, 而薄膜的弹性模量和硬度等力学性能获得提升, 弹性模量从1.5 GPa增加到6 GPa, 硬度从40 MPa增加到110 MPa; 傅里叶变换红外光谱测试结果表明激光处理后薄膜的傅里叶光谱峰值从1 125 cm-1 移动至1 120 cm-1, 薄膜中的硅原子和氧原子的平均桥键角变小, 原因为CO2激光处理时会使局部温度升高, 会加速Si—OH键脱水缩合, 孔隙率降低, 吸收下降。 采用紫外纳秒激光对薄膜进行损伤测试, 结果显示经过12 W CO2激光处理后的薄膜与未经过CO2激光处理的薄膜相比损伤面积更小, 而损伤阈值从4.8 J·cm-2上升到7 J·cm-2, 提升了46%; 经过16 W和20 W CO2激光处理的薄膜紫外纳秒激光损伤阈值没有明显变化, 原因为较高功率CO2激光处理导致薄膜表面发生烧蚀沉积, 沉积物会影响紫外纳秒损伤阈值无法有效改善薄膜的激光损伤性能。 研究结果表明CO2激光处理技术可以有效改善溶胶-凝胶SiO2薄膜的弹性模量、 硬度等力学性能和抗激光损伤性能, CO2激光的功率对薄膜性能影响较大, CO2激光处理是一种有效的提升溶胶-凝胶SiO2薄膜紫外纳秒激光损伤特性的技术手段。
CO2激光 溶胶-凝胶薄膜 激光处理 光谱特性 紫外纳秒激光损伤 CO2 laser Sol-gel film Laser conditioning Spectral characteristics Laser induced damage 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1752
1 中国科学院空天信息创新研究院激光工程技术研究中心，北京 100094
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
为实现高重复频率、窄脉冲激光输出，研制了一台声光调Q射频波导CO2激光器。首先，采用矩形波导耦合损耗理论分析了波导耦合效率与全反镜曲率半径、全反镜到波导口距离的关系，获得了波导耦合损耗较小时的优化参数。其次，研究了工作气压与激光输出的关系，以及脉冲拖尾长度与Q开关开启时间的关系。当工作气压为6.5 kPa，Q开关开启时间为0.6 μs时，获得了无拖尾脉冲波形，并分析了峰值功率、平均功率、脉宽等参数随重复频率的变化规律。设计的激光器可实现重复频率1 Hz~100 kHz可调。当Q开关开启时间为0.6 μs、重复频率为1 kHz时，获得的脉冲宽度为108.2 ns，峰值功率为2809.6 W；当重复频率为100 kHz时，脉宽为135.1 ns，峰值功率为257 W。当重复频率为70 kHz时，测得x和y方向上的光束质量因子分别为1.50和1.21。
激光器 波导CO2激光器 高重复频率 窄脉冲宽度 声光调Q 中国激光
2023, 50(22): 2201008
王少业 1,2,3张剑波 1,2,3赵子文 1,2,3,*杜亦凡 1,2,3钟双栖 1,2,3
1 上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444
2 上海大学特种光纤与先进通信国际合作联合实验室，上海 200444
3 上海大学上海先进通信与数据科学研究院，上海 200444
采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件模拟不同功率、不同扫描速度的CO2激光退火锗芯光纤过程中的温度场分布。通过分析激光退火过程中光纤温度场的分布和变化，得到较为适合的激光退火条件。结合退火后锗芯光纤的拉曼光谱测试，发现对于外径和内径分别为190 μm和28 μm的锗芯光纤而言，在所有退火条件中，2.153 W激光功率、6 mm/s扫描速度能明显改善光纤性能。本仿真研究为优化锗芯光纤特性的实验提供了参考。
光纤光学 锗芯光纤 COMSOL仿真 CO2激光 温度场分布 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1506005
1 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
3 粒子输运与富集技术国家级重点实验室，天津 300180
为了克服高气压CO2激光脉冲放大器增益谱线调制效应、平滑增益谱线包络以及减少次级脉冲输出，笔者以多种CO2同位素混合物为工作介质，建立了超短CO2脉冲放大模型，模拟了不同中心波长的长波皮秒激光脉冲注入不同气压、不同比例CO2同位素的高气压CO2激光放大器后的增益谱线特性和脉冲输出特性。模拟结果表明：在气压为5 bar、13C和18O原子占比均为50%的条件下，10.591 μm附近的增益谱调制度为19.65%，R支较P支增益谱调制度降低了约40%，较好地抑制了次级脉冲输出。在气压为10 bar的条件下，对脉宽为0.3 ps、能量为0.01 J的种子光进行模拟放大，结果显示：在9 μm波段，采用12C和13C的6种CO2同位素放大的激光脉宽相比采用12C的3种CO2同位素放大的激光脉宽压缩了28.14%，拖尾能量占比下降了46.37%；在10 μm波段，采用12C和13C的6种CO2同位素放大的激光脉宽相比采用13C的3种CO2同位素放大的激光脉宽压缩了23.26%，拖尾能量占比下降了40.06%。
激光光学 CO2激光放大器 CO2同位素 增益谱平滑 皮秒脉冲 中国激光
2023, 50(11): 1101017
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国人民解放军96035部队，吉林 吉林 132101
机载激光雷达是实现远距离大气精准监测的重要手段，CO2激光器工作谱段与部分大气污染物和化学物质吸收谱一致，是大气监测激光雷达的重要光源。面向机载要求，在控制体积重量的条件下实现−40 °C~55 °C宽温域工作是机载CO2激光器温控系统的设计难点。因此，本文提出一种以激光器性能和环境温度为设计输入，半导体热电制冷与强制风冷相结合的闭环温控方法。根据激光器、半导体热电制冷和强制风冷等的结构与传热特性，建立温控方法的有限元模型，基于此模型对激光器温控性能进行研究。对于55 °C高温环境，温控系统工作25 min后，激光器温度控制在40 °C；对于−40 °C低温环境，温控系统在工作20 min后，激光器温度控制在25 °C，满足激光器正常工作要求。根据激光器及建立的温控方法，开展高低温环境下激光器工作能力实验研究，采集实验过程中的激光器温度数据，测量高低温条件下激光输出能力。实验结果表明：实测激光器温度与有限元仿真温度数据基本吻合，两者误差小于10%；采用所提出的温控方法，激光器在高低温条件下可以正常工作，输出功率与室温条件下一致。
CO2激光器 宽温域 半导体热电制冷 散热结构 温控方法 CO2 laser wide temperature range thermo-electric cooler heat dissipation structure temperature control method
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了实现极紫外光刻光源驱动激光光斑位置的高精度、宽范围、快响应检测，设计了一种高重复频率窄脉冲信号多通道同步采集处理电路，并提出了基于高斯光斑模型的二级扩展误差补偿算法，可以为极紫外光刻光源驱动激光指向控制提供高精度反馈调节量。首先，介绍了光斑位置检测系统的结构组成与四象限探测器的基本检测原理；然后在考虑探测器半径、光斑半径以及沟道宽度等因素影响的前提下对误差补偿函数进行改进，并对改进的二阶扩展误差补偿算法进行了仿真分析；接着介绍了用于高重复频率窄脉宽信号的多通道同步高速采集电路；最后搭建了实验平台，对改进的算法进行验证。实验结果显示，二阶扩展误差补偿算法的均方根误差为0.0042，最大绝对误差为0.0092 mm，绝对误差的平均值为0.0034 mm；与二阶误差补偿算法相比，二阶扩展误差补偿算法的均方根误差、最大绝对误差和绝对误差的平均值分别降低了83.06%、85.28%和83.50%。表明二阶扩展误差补偿算法与二阶误差补偿算法相比，具有明显的优越性及实用性，在扩展了光斑位置检测范围的同时，光斑位置的检测精度也得到了明显的提升，解决了传统算法无法兼顾计算速度与检测精度的问题。
测量 光斑位置检测 极紫外光刻光源 高重复频率窄脉冲 CO2激光 四象限探测器
1 中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089
2 湖北工业大学机械工程学院激光加工研究中心，湖北 武汉 430068
研究激光工艺参数对T300碳纤维表面漆层清洗质量的影响规律，采用CO2激光器对样品进行激光清洗试验。使用形状测量激光显微镜对激光清洗后的样品进行表面粗糙度以及去除厚度的测量，研究激光平均功率、搭接率及扫描次数对清洗质量的影响规律。通过力学性能分析、漆层结合力检测、老化试验、温度检测及金相试验，结果表明：激光平均功率与光斑搭接率过大会对碳纤维表面造成一定损伤。在激光平均功率P=40 W、光斑搭接率δ=65%、扫描次数t=1时，能达到较好的激光清洗质量且不会影响材料本身的力学性能，清洗后的表面状态可达到后续重新涂漆的质量要求。该研究可为激光清洗碳纤维增强复合材料飞机制造领域工程应用提供技术参考。
CO2激光 激光清洗 表面漆层 碳纤维增强复合材料 CO2 laser laser cleaning surface paint carbon fiber reinforced composity
1 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
3 中国原子能科学研究院，北京 102413
典型的可调谐横向激励大气压[TE(A)] CO2激光器输出激光的脉冲宽度为100～300 ns，并伴有3～10 μs的脉冲“拖尾”，在9～11 μm范围内输出约100条分立谱线。针对窄脉冲和连续调谐CO2激光器的应用需求，开展了多大气压CO2激光器的研究。采用高压脉冲调制电源，结合高气压脉宽压缩和光栅选线技术，实现连续调谐红外激光输出，脉冲宽度为30～50 ns。当工作电压为72 kV、气压为7.07×105 Pa时，输出激光脉冲的能量为590 mJ，脉冲宽度为35.7 ns，并在10R(32)至10R(26)谱线之间实现连续调谐输出。
激光器 CO2激光器 多大气压 连续调谐 脉宽压缩 中国激光
2022, 49(23): 2301008
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林 长春 130033
2 工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510000
3 火箭军装备部驻哈尔滨地区军事代表室, 黑龙江 哈尔滨 150028
4 北方自动控制技术研究所，山西 太原，030006
面向机载激光差分吸收雷达对小型轻量化激光光源的应用需求，研制了紧凑型自动调谐脉冲CO2激光器。首先，研究了射频波导腔内光束和自由空间光学斩波光束孔径匹配关系，设计了具有实焦点的腔内光束变换系统，实验验证了斩波器通光孔径对激光脉冲波形的影响。其次，研究了CO2激光器的波长调谐特性，分析了相邻激光谱线光栅衍射角度差，并基于高精度电动转台和金属闪耀光栅，实现了CO2激光器波长自动调谐输出。最后，基于小型轻量化模块设计，完成了紧凑型自动调谐脉冲CO2激光器集成。实验结果表明，该激光器在1 kHz条件下运转稳定，脉冲宽度为350 ns，峰值功率为3.7 kW，在9.2~10.7 μm范围内测试到30条激光谱线，重量为18 kg，本文研究为机载激光差分吸收雷达提供了一种小型化探测光源。
CO2激光器 机械调Q 波长自动调谐 小型化集成 CO2 laser mechanical Q-switch wavelength automatic tuning miniaturization integration
1 中国科学院上海光学精密机械研究所, 空间激光传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 材料与光电研究中心, 北京 100049
3 上海市激光技术研究所, 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
扩散冷却、射频激励的板条结构CO2激光器具有效率高、体积小和光束质量好的优势, 在激光精密退火、工业加工等应用领域越来越被重视。高功率射频激励、扩散冷却板条CO2激光器在千瓦级及以上的CO2激光精密加工及微电子装备中占有重要地位, 已成为高功率、高光束质量连续CO2激光器的主流发展方向。就CO2激光器技术发展, 重点围绕射频驱动板条结构高功率CO2激光器技术的国内外研究动态进行了调研, 梳理了技术发展阶段及应用情况, 并对技术发展趋势进行了展望。
板条CO2激光器 射频激励 扩散冷却 高功率 slab CO2 laser RF excitation diffusion cooling high power
