1. <rp id="b54kh"><object id="b54kh"><input id="b54kh"></input></object></rp>
      1. <dd id="b54kh"><center id="b54kh"></center></dd>

        1. <button id="b54kh"><acronym id="b54kh"><input id="b54kh"></input></acronym></button>

              <th id="b54kh"></th>

                1. eo_logo
                  • 選擇國家或地區
                  • ,您好! 我的帳戶
                  • cart   
                   
                  超快激光的激光損傷閾值

                  超快激光的激光損傷閾值

                  This is Section 3.6 of the Laser Optics Resource Guide.

                  超快激光是鎖定模式的脈沖激光,能發出持續時間級短且峰值功率很高的脈沖。由于傅里葉極限(或稱為能量-時間不確定性),較短的時間脈沖長度對應較寬的波長譜傳播,因此與較長的脈沖相比,超快脈沖具有更寬的波長帶寬(圖 1)。超快激光器廣泛應用于包括高強度物理、飛秒材料處理和激光光譜學在內的各種領域。1

                  圖 1: 超快激光脈沖的波長帶寬與脈沖時間成反比
                  圖 1: The wavelength bandwidth of ultrafast laser pulses is inversely related to the pulse duration

                  近年來,超快激光誘導損傷已成為一個活躍的研究課題,因為超快激光極短的脈沖持續時間會導致其與光學鍍膜和組件發生不同于其他脈沖激光器的相互作用。一般來說,超快激光照射后薄膜鍍層的升溫是由非平衡能量透射引起的。入射光子的能量被基態電子吸收,從而在幾飛秒內占據激發態。然后,這些“熱”電子通過皮秒級的聲電子和聲子-聲子散射重新回到基態,使鍍膜材料能夠重新進行能量分布。2, 3 聲電子散射描述了晶格振動引起的電子波函數的畸變,聲子-聲子散射描述了晶格振動引起晶格內其他振動 (圖 2)。

                  圖 2: 聲子-電子散射是晶格振動和電子之間的能量傳遞,重定向晶格內的電子。另一方面,聲子-聲子散射是多個晶格振動相互作用以產生新聲子的過程
                  圖 2: 聲子-電子散射是晶格振動和電子之間的能量傳遞,重定向晶格內的電子。另一方面,聲子-聲子散射是多個晶格振動相互作用以產生新聲子的過程

                  由于電子的費米分布比電子晶格重新分布快得多,因此薄膜可以描述為電子和聲子這兩個子系統相互作用的合成物。4 了解超快激發引起的溫升對理解超快激光器的 LIDT 至關重要。熱載子馳豫動力學可以用超快泵浦-探測光譜技術進行理論計算和實驗驗證,該光譜技術可以測量測試光學性質隨時間的變化。5, 6

                  超快激光器激發下的電子和晶格熱行為可以用兩個溫度模型描述,它們假設電子和晶格子系統獨立、自發達到平衡。采用耦合熱容方程確定超快激發時的理論溫升,公式為:7

                  (1)$$ C_e \! \left( T_e \right) \frac{\partial T_e}{\partial T} = \nabla \left[ k_e \! \left( T_e \right) \nabla T_e \right] - G \left( T_e - T_l \right) + S \left( z, t \right) $$
                  (2)$$ C_l \! \left( T_l \right) \frac{\partial T_l}{\partial T} = G \left( T_e - T_l \right) $$
                  • Ce 和 Cl 是電子和晶格子系統的熱容
                  • Te 和 Tl 是電子和晶格的溫度
                  • ke 是電子的導熱系數
                  • S 是超快激光脈沖根據時間 (t) 和空間 (z) 采用的加熱期
                  • G 為電子晶格耦合常數,計算公式為:
                  (3)$$ G = \frac{\pi ^2 m_e n_e c_s ^2}{6 \tau \! \left( T_e \right) T_e} $$
                  • me 是有效電子質量
                  • ne 是電子數密度
                  • cs 是大塊材料的聲速,描述為體積模量 B 與密度 ρm 之比的平方根
                  • τ(Te) 是電子弛豫時間

                  等式 1、等式 2等式 3 用于提供時間函數 Tl 和 Te。圖 3 顯示為聚焦在 800 nm 處,并通過直徑為 120μm 的光束照亮懸浮在銅基片上的 200nm 厚金納米膜的 0.2 J/cm2 10fs 超快激光脈沖計算得出的理論 Tl 和 Te。金納米膜的厚度遠遠大于光學元件和電子對納米膜的穿透深度。

                  圖 3: 當 0.2 J/cm<sub>2</sub> 10fs 超快激光脈沖聚焦在 800nm 處時,隨時間變化的電子(紅色)和晶格(藍色)將升溫。金納米薄膜由于晶格溫度升高而升溫,并導致激光誘導損傷萌發
                  圖 3: 當 0.2 J/cm2 10fs 超快激光脈沖聚焦在 800nm 處時,隨時間變化的電子(紅色)和晶格(藍色)將升溫。金納米薄膜由于晶格溫度升高而升溫,并導致激光誘導損傷萌發

                  The electron temperature quickly reaches extremely high temperatures (13,000K). Electron-lattice equilibration processes then lead to an increase in the lattice temperature (Tl), which reaches values of around 1,300K. Tl is on the same order of the melting temperature of gold (1,337K); this relatively weak ultrafast pulse with a fluence of only 0.2 J/cm2 caused the lattice to reach the melting point of gold.

                  非平衡系統通過電子-聲子散射和聲子-聲子散射來耗散能量,從金納米膜到周圍銅基片的延遲能量轉移提供了額外的能量耗散通道。晶格溫度的升高會導致鍍膜中出現激光誘導損傷。了解超快激光激發后的超快再熱對設計和優化適用于超快激光應用的光學鍍膜至關重要。

                  超快脈沖的理論影響可以通過超快泵浦-探測光譜技術(如超快電子衍射)實驗驗證。超快泵浦光束用于激發試樣,低功率探針光束則用于監測非平衡態引起的電子衍射強度變化(圖 4)。電子衍射強度的變化與泵浦和探測光束中的脈沖到達時間之間的延遲相關,揭示了電子-晶格的動態變化。8 這樣的動力變化顯示了激發電子的弛豫路徑,從而導致納米膜升溫。

                  圖 4: 通過泵浦-探測光譜技術觀察到的衍射強度變化直接關系到超快激光激發引起的非平衡能量傳輸
                  圖 4: 通過泵浦-探測光譜技術觀察到的衍射強度變化直接關系到超快激光激發引起的非平衡能量傳輸

                  超快激光器引起的衍射強度變化受 Debye-Waller 效應控制,計算公式為:

                  (4)$$ \frac{I \! \left( t \right)}{I_0} = \exp{\left[ 2 s_{hkl}^2 \left( \frac{\langle u^2 \! \left( T_0 \right) \rangle - \langle u^2 \! \left( T_l \right) \rangle}{4} \right) \right]} $$
                  • I(t) 是 t 時刻的衍射強度
                  • I0 是初始強度
                  • T0 是初始溫度
                  • u2 (T)為原子均方位移,計算公式為:
                  (5)$$ \langle u^2 \! \left( T \right) \rangle = \frac{3 \hslash ^2}{2 m k_B \theta_D } \left[ 1 + 4 \left( \frac{T}{\theta_D} \right)^2 \int_0^{\left( \frac{\theta_D}{T} \right)} \frac{x}{\exp{\left( x \right)} -1} \, \text{d} x \right] $$
                  • ? i是降低的普朗克常數,或普朗克常數除以 2π
                  • m 是單位細胞的有效質量
                  • kB 是玻爾茲曼常數
                  • θD 是德拜溫度

                  等式 4等式 5 顯示在激光不同泵浦-探測時間延遲下激發后的衍射強度變化。探測和泵浦光束照亮的是光學元件表面還是鍍膜-基片界面也會導致衍射強度變化不同(圖 5)。超快激發后系統達到平衡溫度的延遲時間要比超快脈沖持續時間長得多。納米薄膜的升溫就在幾微秒內,由超快激光激發后受激電子的平衡引起。

                  圖 5: 在金納米膜超快激發后的電子-聲子和聲子-聲子散射的衍射強度變化(藍色)以及從金納米膜到銅基片的能量轉移導致的金-銅界面衍射強度變化(紅色)
                  圖 5: 在金納米膜超快激發后的電子-聲子和聲子-聲子散射的衍射強度變化(藍色)以及從金納米膜到銅基片的能量轉移導致的金-銅界面衍射強度變化(紅色)

                  參考文獻

                  1. Mao, S. S. et al., “Dynamics of Femtosecond Laser Interactions with Dielectrics.” Appl. Phys. A 2004, 79, 1695.
                  2. Jiang, L., and H. l. Tsai. “Energy Transport and Material Removal in Wide Bandgap Materials by a Femtosecond Laser Pulse.” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 48, no. 3-4, 2005, pp. 487–499., doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.09.016.
                  3. Wellershoff, Sebastian S., et al. “The Role of Electron–Phonon Coupling in Femtosecond Laser Damage of Metals.” Appl. Phys. A, vol. 69, Dec. 1999, pp. 99–107.
                  4. Shin, Taeho, et al. “Extended Two-Temperature Model for Ultrafast Thermal Response of Band Gap Materials upon Impulsive Optical Excitation.” The Journal of Chemical Physics, vol. 143, no. 19, 2015.
                  5. Karam, Tony E, et al. “Enhanced Photothermal Effects and Excited-State Dynamics of Plasmonic Size-Controlled Gold–Silver–Gold Core–Shell–Shell Nanoparticles.” J. Phys. Chem, vol. 119, 17 July 2015, pp. 18573–18580., doi: 10.1021/acs.jpcc.5b05110.
                  6. Heilpern, Tal, et al. “Determination of Hot Carrier Energy Distributions from Inversion of Ultrafast Pump-Probe Reflectivity Measurements.” Nature Communications, vol. 9, no. 1, Oct. 2018, doi:10.1038/s41467-018-04289-3.
                  7. Hu, Jianbo, et al. “Ultrafast Lattice Dynamics of Single Crystal and Polycrystalline Gold Nanofilms☆.” Chemical Physics Letters, vol. 683, 2017, pp. 258–261., doi:10.1016/j.cplett.2017.04.021.
                  8. Gedik, Nuh. “Techniques.” Gedik Group, Massachusetts Institute of Technology, 2013, web.mit.edu/gediklab/research.html
                  本內容對您是否有用?
                   
                  銷售和技術專家咨詢電話
                   
                  或查看各區域電話
                  一鍵式
                  報價工具
                  只需輸入商品編號
                  ×
                  亚洲日韩在线中文字幕线路2区_唐人社美国十次啦导航_免费a级毛片无码a∨_亲子乱子伦视频播放