组合脉冲激光与透明材料增强作用机理研究

A kind of combined pulse laser(CPL) composed of a millisecond(ms) laser and a nanosecond(ns) laser is used to interact with transparent materials. The CPL combines the high peak power of the ns laser with the high energy of the ms laser, which is a promising method to improve the energy coupling efficiency when interacting with the transparent materials. In this project, the mechanism of the enhancement effect during the CPL-transparent materials interaction is studied experimentally and numerically. A gas-dynamic model is built to obtain the information of the temperature, the velocity, and the transmitted laser field. Then, the process of the ms laser-supported detonation wave converting to the ns laser-supported combustion wave is analyzed. After that, the high-speed photography, the acoustic signal acquisition method and the spectral diagnostics are applied simultaneously to obtain the characteristic of the combustion wave. Moreover, the influence of the laser parameters (delay, laser fluence and spot size) and the tangential air flow on the damage behavior is studied to analyze the effect of the combustion wave on the laser energy coupling efficiency, and investigate the CPL-transparent materials interaction mechanism. The outcome of this project will promote the understanding of the enhancement effect mechanism of the CPL, and provide some references for applying the CPL to laser machining and laser damage fields.

由相隔一定时间的纳秒级短脉冲激光和毫秒级长脉冲激光构成的组合脉冲激光，结合了短脉冲激光高峰值功率和长脉冲激光高输出能量的特点，可以有效改善长脉冲激光与透明材料相互作用时激光能量耦合效率低的缺点，进而达到作用效果增强的目的。本项目拟结合数值模拟和实验测试对组合脉冲激光与透明材料相互作用效果及机理开展研究。建立激光等离子体传播扩展模型，获得短脉冲激光支持爆轰波及长脉冲激光支持燃烧波温度场、速度场及透射激光场分布，分析两者的持续时间和转化关系；利用高速摄影法、声学信号探测法、光谱诊断法对作用过程进行实时探测，研究激光支持燃烧波特性；进而确定不同组合脉冲激光参数（延时、能量密度、光斑大小）和切向气流与作用效果的关系，结合数值模拟分析燃烧波对激光能量耦合效率的影响，获取组合脉冲激光作用机理。通过本项目的研究，进一步明确组合脉冲激光作用效果增强机理，为其在激光加工、激光损伤等领域的应用提供参考。

常见的光学玻璃对基频光的透过率高，能量耦合效率低，组合脉冲激光可有效改善这一问题。本课题结合数值模拟和实验测试对组合脉冲激光与光学玻璃相互作用效果及机理进行了研究。取得的研究成果如下：.建立了激光等离子体传播扩展模型，计算结果表明纳秒激光辐照结束后的几十μs内等离子体的温度和蒸汽的电离度均比较高，对激光的屏蔽效应显著，使得到达样品表面的光强很弱，但随着时间的推移，等离子体的温度和电离度下降，样品可以吸收更多的激光能量，使得烧蚀坑进一步增大。.利用高速摄影法、声学信号探测法、光谱诊断法和阴影法对组合脉冲激光作用过程进行了探测。组合脉冲激光与光学玻璃相互作用时会产生两种作用过程：1）弱作用过程，对应的烧蚀尺寸小，等离子体羽持续时间短，声发射信号频率主要分布于10 kHz ~60 kHz区域；2）强作用过程，对应的烧蚀形貌为向样品内部延伸的锥形小孔，尺寸达mm量级，等离子体羽（燃烧波）持续时间长，声发射信号频率主要分布于<8kHz区域，作用过程中产生的喷溅颗粒/蒸汽可运动至样品前表面10 cm处的聚焦透镜位置，锥型损伤坑是在后续ms激光的辐照下逐渐形成的。.对组合脉冲激光分别聚焦于样品前后表面的损伤特性进行了研究。前表面以熔融损伤为主，损伤形貌可分为烧蚀斑损伤和熔融锥形损伤；后表面主要为应力损伤，损伤形貌可分为百μm量级的小尺寸损伤和cm量级的大尺寸损伤。前后表面均存在最佳延时区域，对应的损伤概率和损伤尺寸最大。与单束毫秒激光比较，组合脉冲激光显著提高了损伤概率和损伤尺寸。组合脉冲激光中纳秒激光产生的烧蚀区域起到两方面作用：1)作为新的缺陷降低了后续毫秒激光的损伤阈值；2) 增强了对后续激光的吸收能力。.本课题获得的研究结果可为纳秒激光和毫秒激光以及其组合激光在加工透明光学材料领域的应用提供参考。

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