### 巨脉冲激光产生的非线性压电效应
#### 概述
本文探讨了当调Q巨脉冲激光聚焦到PZT压电陶瓷表面的银膜上时产生的非线性压电效应。该研究发表于1998年的《四川大学学报（自然科学版）》。实验通过观察激光产生的冲击波及其对压电陶瓷的影响，揭示了非线性压电效应的存在。
#### 实验背景与目的
传统的强冲击波产生方法包括爆炸和高速物体撞击，而随着激光技术的发展，使用巨脉冲激光照射材料成为产生高强度冲击波的一种新途径。这一技术不仅可以帮助科学家们更好地理解冲击波产生的机制，还能够探索其在材料改性等方面的应用潜力。
#### 实验原理
当激光束聚焦在PZT压电陶瓷表面的银膜上时，会因为激光对靶材的快速加热作用而在靶材内部产生强烈的温度梯度。这种温度梯度会导致靶材内部产生巨大的压力波动，进而形成冲击波。压电材料（如PZT）具有特殊的性质，即在受到外力作用时能够产生电荷或电压变化，反之亦然。因此，当冲击波穿过压电陶瓷时，会因为压电效应而在材料两端产生电压变化。
#### 实验装置及结果
实验使用了一台叶绿素D调Q的红宝石脉冲激光器作为光源，其提供的脉冲激光具有半峰值宽度约30ns、功率可达100MW的特点。为了增加光功率密度，研究人员使用了一个焦距为30mm的透镜将激光聚焦于靶面上，形成了大约10^-3cm²的光斑面积。靶材为PZT压电陶瓷片，其表面覆盖有一层由银膏烧结而成的厚度约为10μm的银膜。实验中观察到了以下几种现象：
1. **普通脉冲激光辐照：**当使用脉宽约为0.8ms的普通脉冲红宝石激光进行辐照时，随着激光能量的增加，电信号从平滑转变为尾部出现低频（约3kHz）衰减振荡的现象。
2. **高功率调Q脉冲激光辐照：**使用脉宽约为30ns、功率为10MW级别的调Q脉冲激光进行辐照时，电信号呈现出非常陡峭的上升沿，顶部及尾部叠加了高频（数十kHz）衰减振荡。
3. **超高功率调Q脉冲激光辐照：**当激光功率提高至100MW级别时，除了高频冲击波持续时间增长外，还观察到了高频冲击波被较低频（约3kHz）冲击波调幅的现象，即出现了不同频率冲击波之间的非线性耦合。
#### 实验分析
根据瞬态振动理论，当弹性体受到冲击力作用时，其瞬态响应表现为衰减振动。在本实验中，激光对靶的冲击主要来源于激光对靶的快速加热作用，导致靶材表面温度急剧升高，并在靶材内部形成压力波动。这种压力波动进一步转化为冲击波，进而触发了压电陶瓷中的非线性压电效应。
#### 结论与展望
通过对调Q巨脉冲激光在PZT压电陶瓷上产生的冲击波及其调制现象的研究，证实了非线性压电效应的存在。这一发现对于深入理解强脉冲激光产生冲击波的机制以及冲击波在材料科学中的应用具有重要意义。未来的研究可以进一步探索如何优化激光参数以增强非线性压电效应，以及如何利用这一效应开发新型材料处理技术。
这项研究不仅为理解强激光效应提供了新的视角，也为冲击波在材料科学领域的应用开辟了新的可能性。
