为了探究高功率连续激光作用下CCD的损伤特性随时间的演化规律, 根据其结构特点和工作原理, 建立了1.06 μm连续激光辐照CCD的六层结构热力耦合三维模型。综合考虑了微透镜聚焦和铝膜开口率等因素的影响, 通过改变CCD不同损伤阶段的激光辐照方式, 数值模拟分析了CCD多层结构的层层损伤机理, 研究了CCD各个损伤阶段的时间阈值, 并与实验结果进行了对比。结果表明, 微透镜聚焦光束阶段, 微透镜由于熔点较低, 发生熔融分解, CCD表现为点损伤; 微透镜熔融阶段, 失去聚光能力, 在应力损伤和熔融损伤共同作用下, 铝膜层熔融剥落, 表现为纵向亮线损伤; 铝膜层熔融剥落阶段, 激光直接辐照在硅电极上, 硅电极上表面熔融, 造成布线电路的损伤, 导致部分像元中的电荷无法转移, 出现横向暗线损伤; 最后, SiO2绝缘层受剪切应力而断裂, 使得硅电极和硅基底相互导通, 造成完全损伤。实验与仿真结果趋势一致, 误差较小, 相互验证。

建立了猫眼回波探测成像光学系统损伤程度的实验系统, 得到激光损伤CCD时猫眼回波峰值功率随辐照时间的变化曲线, 分析了回波峰值功率的变化机理, 并据此建立回波峰值功率变化与CCD损伤程度之间的联系.研究表明, 受CCD不同损伤区域的反射率及粗糙度差异的影响, 猫眼回波峰值功率随CCD损伤程度的加深呈现先显著上升再迅速下降的变化规律, 实际应用时可通过探测CCD猫眼回波强度的变化,再依据此规律来推断CCD各层结构的损伤状态.

利用分子动力学模型模拟出单个脉冲作用后的热传导过程, 并得到了在下个脉冲辐照前硅材料表面的温度变化情况, 深入探究了非辐射复合及表面浮雕结构对硅表面温度的影响, 并根据分子动力学方程数值模拟了多脉冲飞秒激光烧蚀硅材料的超快热响应, 分析了电子与晶格的瞬态热平衡和硅表面最大温度随俄歇复合的变化。针对硅材料加工领域中高频多脉冲持续扫描硅表面的情况, 建立了宏观加热机制, 以减轻加工过程中的热累积效应。当采用较高重频脉冲时, 宏观热模型计算结果表明多脉冲扫描硅表面时, 温度的热积累不仅与光源本身入射通量和重频有关, 也与扫描速度有关。实验中运用通量为1～2 J/cm2、重频为10 Hz～1 kHz的飞秒激光光源烧蚀硅靶, 发现低频脉冲下表面熔融、氧化等现象不利于产生光滑孔状形貌。

利用有限元法对组合激光辐照单晶硅的温度及应力场进行了数值分析, 在组合激光与连续激光平均功率密度相同的前提条件下比较了组合激光和连续激光分别作用于单晶硅的损伤效果。计算结果表明, 组合激光与连续激光相比更有利于实现对单晶硅的热损伤; 组合激光作用下单晶硅内部的Von Mises应力、轴向应力和环向应力比在连续激光作用下要大, 组合激光对单晶硅的损伤比连续激光更强。

建立了不同损伤状态下光学成像系统的猫眼回波模型, 分析了CCD各层被损伤对猫眼回波功率的影响, 得到猫眼回波功率变化与CCD损伤程度的对应关系, 并通过实验进行了验证.研究发现, 在远场情况下成像光学系统的猫眼回波中心位置光强最强, 且回波功率随CCD损伤程度的加深呈现先显著上升再迅速下降.最后缓慢下降的变化规律, 可由此判断CCD各层结构的损伤状态.研究结果对远场条件下CCD被损伤程度的实时监测有一定的参考价值.

研究了1.06 μm连续激光辐照损伤CCD探测器的进程及不同损伤阶段CCD探测器成像能力的削弱程度。通过电子显微镜(SEM)扫描分析损伤机理, 结合损伤状态下的CCD图像, 解释了各损伤阶段成像质量变化的原因。结果表明：在点损伤阶段, 微透镜熔融汽化, 失去聚焦光束的能力, 使得进光量减少, 图像灰度降低, 同时汽化的微透镜冷却后附着在封装玻璃表面, 这是成像质量下降的主要原因; 在线损伤阶段, 激光对探测器多层结构有更深层次的损伤, 使得部分像元失去成像能力, 加上激光对封装玻璃的损伤, 使得CCD探测器的成像能力逐渐降低。以已有的评估方法为基础, 通过清晰度评定和形态学检测相结合的方式, 建立了损伤评估模型, 对不同损伤阶段的成像能力和成像质量进行评估, 获得了损伤时间、损伤形貌、损伤阶段和探测器成像能力的对应关系。

根据已经建立的紫外准分子激光损伤典型光学材料的理论模型, 研究了准分子激光对透明光学材料(石英玻璃)和非透明光学材料(K9玻璃)的损伤特性, 并结合实验结果证实了理论模型的有效性。研究表明: 在准分子激光对非透明光学材料辐照下, 激光光斑半径越大, 产生的热应力和温度越小; 脉宽越小, 产生的热应力越大; 随着脉冲数的增加, 温度和热应力都逐渐增大。值得注意的是, 当重频增加至45 Hz以上时, 熔融损伤阈值开始低于应力损伤阈值, 这说明当重频增加到一定程度时, 非透明光学材料将首先产生熔融损伤, 而不再是应力损伤。在准分子激光对透明光学材料辐照下, 杂质微粒的半径和掩埋深度对光学材料温度场分布有着重要影响。但当杂质半径和掩埋深度超过一定的数值时, 杂质粒子的存在与表面温度并无联系。理论模型能够较好地解释石英玻璃前/后表面相同的初始损伤形貌特征。

通过引入双温方程电子数密度模型, 德鲁德模型和波纹间隔理论?撰=?姿/2S, 得到高频波纹周期具有波长依赖性的特点, 分析了在辐射光通量接近损伤阈值时, 高频周期波纹在一定范围内接近λ/6~λ/4, 且随入射激光通量近似成正比。同时基于时域有限差分法(FDTD)的方法对飞秒激光辐照硅表面电场分布进行数值仿真, 在初始脉冲形成近波长波纹的情况下, 硅表面的电场再分布使得激光能量大多沉积在凹槽边缘, 产生高频周期性结构。在此基础上对初始凹槽深度和激发态下硅表面的光学性质(介电常数)进行分析, 得到了形成高频周期波纹的条件。该研究对于理解飞秒激光造成硅表面形成周期结构及其在加工硅材料领域具有重要的参考意义。

首先介绍了基于猫眼效应的激光主动探测方法的发展历程, 分析了离焦量、探测距离、大气湍流等因素对猫眼回波的影响; 然后介绍了激光损伤CCD的研究过程及研究现状, 分析了激光损伤CCD的机理及效果; 最后介绍了利用猫眼效应探测CCD被损伤程度的方法, 并指出了此方法的发展方向。

在飞秒激光打孔硅材料过程中, 为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响, 建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21 J/cm2, 符合实验模型测得的阈值0.20～0.25 J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr, 等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5 J/cm2增大到3.0 J/cm2, 烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1 μm, 同时脉宽从150 fs减小到50 fs, 烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时, 基于时域有限差分法, 控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃, 激光能量越接近孔底中心, 越易引发该范围内的等离子体激发; 且在不同偏振态光束辐照下, 孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构, 可使后续脉冲能量集中孔底中心区域, 打孔效果更好.