平顶光束经圆锥透镜在熔融石英中的成丝研究
发布时间：2022-01-04 20:11
飞秒激光成丝以及伴随的超连续辐射（supercontinuum,简称SC）具有广阔的应用前景。圆锥透镜的使用,可以将入射激光束转换为贝塞尔光束,并且可以形成独特的长焦深区域（远超瑞利距离）,其有利于实现等离子体细丝的延长和超连续辐射的增强;另一方面,在不损伤光学介质的前提下,在空间上具有均匀强度分布的平顶光束可以在光学介质中以比高斯激光束更高的入射能量传播,这有利于其在延长等离子体细丝方面以及在形成高能量和高转化效率的超连续辐射方面具有独特的优势。因此本文将结合平顶光束与圆锥透镜在激光成丝方面的独特优势,对等离子体细丝以及超连续辐射进行了优化控制研究。本文实验研究了平顶光束经圆锥透镜后在熔融石英中的成丝及超连续辐射。首先对不同能量的高斯光束和平顶光束分别经圆锥透镜在熔融石英中的成丝演化情况进行了研究,重点对比了高斯光束和平顶光束分别以相同的入射脉冲能量（672μJ）产生的等离子体细丝情况。结果表明,相对于高斯光束,平顶光束更有利于形成长且强度分布均匀的等离子体细丝。然后,我们对比研究了不同能量下的高斯光束和平顶光束经圆锥透镜后在熔融石英中的成丝后的超连续辐射。并重点对比研究了672μJ...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
平顶光整形器相关示意图
第1章绪论8长的等离子体细丝。由于等离子体细丝通道具有良好的导电特性，其相对于空气其他部位的电阻率很低。因此，可以诱导雷电沿着等离子体细丝通道向指定位置放电，从而避免了雷电造成不必要的伤害及损失[46]。1974年，Ball等人首次提出了激光引雷的相关理论[47]。1978年，美国一科研小组利用CO2激光器首次进行了激光引雷的实验，但由于当时他们使用的纳秒激光不足以产生足够长的等离子体细丝等其他因素导致实验以失败告终。随着高峰值功率激光器的出现特别是飞秒激光器的问世，则很好的解决了不能形成长等离子体细丝的难题。也意味着激光引雷从长脉冲激光引雷进入到了超短超强脉冲激光引雷阶段，其中飞秒激光引雷的应用尤为突出。1995年，王道洪[48]等人通过实验及模拟证明了实际生活中可以利用接地塔顶附近的局部强电场进行激光引雷的可行性。其相关示意图如图1.2所示。图1.2利用激光细丝触发闪电示意图[48]早在1997年，RolandSauerbrey等人利用功率为TW量级的飞秒激光器就已经得到了长达十几公里的等离子体细丝。这意味着飞秒成丝诱导引雷的想法具有潜在的发展空间。2002年，M.Rodriguez等人利用太赫兹飞秒脉冲激光成功诱导了间距为3.8m电极之间的近似成直线的高压放电[49]。其有无等离子体细丝时的相关现象如图1.3所示，图中的(a)和(b)分别为有无存在飞秒成丝诱导的放电过程。虽然现今通过飞秒激光可以在大气中形成长至几十公里的等离子体细丝，但其长度还远远达不到大范围应用激光引雷手段以避免雷电对于人类以及大自然的危害。因此关于激光引雷的进一步研究等待着我们的探索与发现。其中关于利用超快脉冲激光实现更长的等离子体细丝仍然值得我们进一步研究。
第1章绪论9(a)(b)图1.3放电过程[49](a)无飞秒成丝诱导情况下的自由放电过程；(b)存在飞秒成丝诱导情况的放电过程1.5.2微纳加工微纳加工技术是利用微纳米量级切除量来获得高精度的尺寸和形状的加工技术，其主要包括图案化技术（光刻、等离子体刻蚀、湿法刻蚀等）、薄膜沉积技术和化学机械抛光技术等[50]。随着现今科技向着微型化、集成化和数字化的趋势发展，而微纳加工技术是现今科学技术发展的前提与保障，尤其在顶尖科技与突破创新方面的贡献尤为突出。因此关于微纳加工技术精度的提高具有巨大的发展空间。脉冲激光的引入是提高微纳加工精度的有效手段之一。其中飞秒激光因其具有高峰值功率密度和窄脉宽的特性，使得飞秒激光在提高微纳加工精度方面具有明显优势。飞秒微纳加工技术主要利用了飞秒激光的瞬时功率高且作用时间短的特性，可以快速使加工样品汽化并在加工区域无热量扩散过程，因此其也被称之为“冷加工技术”。飞秒微纳加工技术在三维微纳加工、新型三维光存储器、生物工程技术等领域具有巨大的发展空间。现今阶段关于飞秒微纳加工技术的相关科学研究吸引各国学者的强烈关注。但是若想提高飞秒微纳加工技术的加工精度则要求经聚焦在样品表面的光斑直径大小恒定，这需要建立一套复杂的光机电一体化系统（成本高且从工艺的角度来说不易于实现）来实现。飞秒激光经过一系列复杂非线性过程形成了尺寸大致为100-200μm的稳定等离子体细丝其不随传输距离而改变且细丝内的光强分布不随之改变，这使得恒定飞秒激光的光斑直径成为了可能。2012年郭凯敏利用飞秒激光形成的等离子体细丝进行了样品的表面微纳结构的制备研究，研究发现飞秒激光形成的等离子体细丝有利于在K9玻璃表面形成了近波长周期波纹结构[51]。另外，现今的飞秒
【参考文献】：
期刊论文
[1]《微纳加工技术导论》课程教学的探索与实践[J]. 袁光杰,张勇,田应仲. 产业与科技论坛. 2019(17)
[2]整形飞秒激光脉冲在熔融石英中的成丝控制研究[J]. 常峻巍,许梦宁,王頔,朱瑞晗,奚婷婷,张兰芝,李东伟,郝作强. 光学学报. 2019(01)
[3]基于圆锥透镜生成双级无衍射光束的理论分析[J]. 杨贵洋,马国鹭,曾国英. 应用光学. 2018(05)
[4]飞秒平顶光束经微透镜阵列在熔融石英中的成丝及其超连续辐射[J]. 周宁,张兰芝,李东伟,常峻巍,王毕艺,汤磊,林景全,郝作强. 物理学报. 2018(17)
[5]采用衍射掩模产生白光横向平顶光束[J]. 陈芳萍,张晓婷,刘楚嘉,漆宇,庄其仁. 物理学报. 2018(14)
[6]整形为平顶洛伦兹光束的非球面透镜组研究[J]. 钟旭森,唐晓军,王钢. 激光与红外. 2018(04)
[7]飞秒激光经过轴锥镜的非线性传输特性[J]. 孙晓东,刘晋佩,刘培林,白晋军,刘宏伟,白华,赵军发,张斯文. 激光杂志. 2018(01)
[8]光纤通信中自相位调制与四波混频影响因素仿真[J]. 孙活. 沈阳工业大学学报. 2017(05)
[9]基于激光诱导击穿光谱技术的土壤快速分类方法研究[J]. 孟德硕,赵南京,马明俊,谷艳红,余洋,方丽,王园园,贾尧,刘文清,刘建国. 光谱学与光谱分析. 2017(01)
[10]空气中相位板调制下的飞秒激光成丝过程[J]. 张肖玲,奚婷婷. 中国科学院大学学报. 2017(01)
博士论文
[1]飞秒激光固体材料表面微纳结构制备及其功能特性的研究[D]. 陶海岩.长春理工大学 2014
[2]强飞秒激光在大气中的成丝非线性光学研究[D]. 郝作强.中国科学院研究生院（物理研究所） 2007
硕士论文
[1]理想平顶光束的产生及其应用研究[D]. 郑里亚.电子科技大学 2017
[2]利用飞秒激光成丝法光学新频率的产生及应用[D]. 刘旭.长春理工大学 2014
本文编号：3568988
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
平顶光整形器相关示意图
第1章绪论8长的等离子体细丝。由于等离子体细丝通道具有良好的导电特性，其相对于空气其他部位的电阻率很低。因此，可以诱导雷电沿着等离子体细丝通道向指定位置放电，从而避免了雷电造成不必要的伤害及损失[46]。1974年，Ball等人首次提出了激光引雷的相关理论[47]。1978年，美国一科研小组利用CO2激光器首次进行了激光引雷的实验，但由于当时他们使用的纳秒激光不足以产生足够长的等离子体细丝等其他因素导致实验以失败告终。随着高峰值功率激光器的出现特别是飞秒激光器的问世，则很好的解决了不能形成长等离子体细丝的难题。也意味着激光引雷从长脉冲激光引雷进入到了超短超强脉冲激光引雷阶段，其中飞秒激光引雷的应用尤为突出。1995年，王道洪[48]等人通过实验及模拟证明了实际生活中可以利用接地塔顶附近的局部强电场进行激光引雷的可行性。其相关示意图如图1.2所示。图1.2利用激光细丝触发闪电示意图[48]早在1997年，RolandSauerbrey等人利用功率为TW量级的飞秒激光器就已经得到了长达十几公里的等离子体细丝。这意味着飞秒成丝诱导引雷的想法具有潜在的发展空间。2002年，M.Rodriguez等人利用太赫兹飞秒脉冲激光成功诱导了间距为3.8m电极之间的近似成直线的高压放电[49]。其有无等离子体细丝时的相关现象如图1.3所示，图中的(a)和(b)分别为有无存在飞秒成丝诱导的放电过程。虽然现今通过飞秒激光可以在大气中形成长至几十公里的等离子体细丝，但其长度还远远达不到大范围应用激光引雷手段以避免雷电对于人类以及大自然的危害。因此关于激光引雷的进一步研究等待着我们的探索与发现。其中关于利用超快脉冲激光实现更长的等离子体细丝仍然值得我们进一步研究。
第1章绪论9(a)(b)图1.3放电过程[49](a)无飞秒成丝诱导情况下的自由放电过程；(b)存在飞秒成丝诱导情况的放电过程1.5.2微纳加工微纳加工技术是利用微纳米量级切除量来获得高精度的尺寸和形状的加工技术，其主要包括图案化技术（光刻、等离子体刻蚀、湿法刻蚀等）、薄膜沉积技术和化学机械抛光技术等[50]。随着现今科技向着微型化、集成化和数字化的趋势发展，而微纳加工技术是现今科学技术发展的前提与保障，尤其在顶尖科技与突破创新方面的贡献尤为突出。因此关于微纳加工技术精度的提高具有巨大的发展空间。脉冲激光的引入是提高微纳加工精度的有效手段之一。其中飞秒激光因其具有高峰值功率密度和窄脉宽的特性，使得飞秒激光在提高微纳加工精度方面具有明显优势。飞秒微纳加工技术主要利用了飞秒激光的瞬时功率高且作用时间短的特性，可以快速使加工样品汽化并在加工区域无热量扩散过程，因此其也被称之为“冷加工技术”。飞秒微纳加工技术在三维微纳加工、新型三维光存储器、生物工程技术等领域具有巨大的发展空间。现今阶段关于飞秒微纳加工技术的相关科学研究吸引各国学者的强烈关注。但是若想提高飞秒微纳加工技术的加工精度则要求经聚焦在样品表面的光斑直径大小恒定，这需要建立一套复杂的光机电一体化系统（成本高且从工艺的角度来说不易于实现）来实现。飞秒激光经过一系列复杂非线性过程形成了尺寸大致为100-200μm的稳定等离子体细丝其不随传输距离而改变且细丝内的光强分布不随之改变，这使得恒定飞秒激光的光斑直径成为了可能。2012年郭凯敏利用飞秒激光形成的等离子体细丝进行了样品的表面微纳结构的制备研究，研究发现飞秒激光形成的等离子体细丝有利于在K9玻璃表面形成了近波长周期波纹结构[51]。另外，现今的飞秒
【参考文献】：
期刊论文
[1]《微纳加工技术导论》课程教学的探索与实践[J]. 袁光杰,张勇,田应仲. 产业与科技论坛. 2019(17)
[2]整形飞秒激光脉冲在熔融石英中的成丝控制研究[J]. 常峻巍,许梦宁,王頔,朱瑞晗,奚婷婷,张兰芝,李东伟,郝作强. 光学学报. 2019(01)
[3]基于圆锥透镜生成双级无衍射光束的理论分析[J]. 杨贵洋,马国鹭,曾国英. 应用光学. 2018(05)
[4]飞秒平顶光束经微透镜阵列在熔融石英中的成丝及其超连续辐射[J]. 周宁,张兰芝,李东伟,常峻巍,王毕艺,汤磊,林景全,郝作强. 物理学报. 2018(17)
[5]采用衍射掩模产生白光横向平顶光束[J]. 陈芳萍,张晓婷,刘楚嘉,漆宇,庄其仁. 物理学报. 2018(14)
[6]整形为平顶洛伦兹光束的非球面透镜组研究[J]. 钟旭森,唐晓军,王钢. 激光与红外. 2018(04)
[7]飞秒激光经过轴锥镜的非线性传输特性[J]. 孙晓东,刘晋佩,刘培林,白晋军,刘宏伟,白华,赵军发,张斯文. 激光杂志. 2018(01)
[8]光纤通信中自相位调制与四波混频影响因素仿真[J]. 孙活. 沈阳工业大学学报. 2017(05)
[9]基于激光诱导击穿光谱技术的土壤快速分类方法研究[J]. 孟德硕,赵南京,马明俊,谷艳红,余洋,方丽,王园园,贾尧,刘文清,刘建国. 光谱学与光谱分析. 2017(01)
[10]空气中相位板调制下的飞秒激光成丝过程[J]. 张肖玲,奚婷婷. 中国科学院大学学报. 2017(01)
博士论文
[1]飞秒激光固体材料表面微纳结构制备及其功能特性的研究[D]. 陶海岩.长春理工大学 2014
[2]强飞秒激光在大气中的成丝非线性光学研究[D]. 郝作强.中国科学院研究生院（物理研究所） 2007
硕士论文
[1]理想平顶光束的产生及其应用研究[D]. 郑里亚.电子科技大学 2017
[2]利用飞秒激光成丝法光学新频率的产生及应用[D]. 刘旭.长春理工大学 2014
本文编号：3568988
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