通过温度效应探索研究超短脉冲强激光损伤机理

高功率激光器已广泛用于新材料、新能源和国防领域。然而激光器的光学元件的强激光辐照损伤却成为激光器功率进一步提升的"瓶颈"，并且一些重要的损伤机理还不清楚也成为元件损伤阈值提高的障碍。这对于强场物理学和工程技术应用都是一个急需解决的问题。本项目拟从理论和实验两个方面去研究不同温度下（室温-几十K）熔石英的激光辐照损伤。由于降低温度可以极大地抑制造成损伤的雪崩过程，因此这种方法有望成为大幅度提高光学元件负载能力的新思路和新技术。通过研究不同温度下熔石英的光学损伤，可以掌握不同温度下造成雪崩电离过程中各个能量吸收机制的确切作用，以及不同脉宽下，光致电离和雪崩电离的确切贡献；还可以解决国际上关于脉宽小于100飞秒时，光致电离和雪崩电离贡献的争论。因此本申请在学术上有较高的原创性，同时在工程上也有重要的应用价值。

飞秒激光由于脉冲时间短、瞬时功率高、聚焦区域小等特点已被广泛应用于新能源、新材料、航天、生命科学及国防等领域，然而，光学元件中的激光损伤仍然是高功率激光系统和光学器件的发展的一个限制因素，这对于开发高功率激光系统及强场物理学的发展都是一个迫切需要解决的问题。激光器的透镜、窗口、反射镜、偏振片、光栅等通常使用熔石英这种光学材料。因此提高熔石英的负载能力，对于基础科学研究和工程应用方面都具有重要意义。本项目主要研究光学材料在不同温度和不同脉宽时的激光诱导损伤阈值的规律。主要取得的研究成果如下：.（1） 首次在实验上系统地测试了多种光学材料在不同温度下（80K-300K)的激光损伤阈值（纳秒区域,10-12秒<脉宽<10-8秒) .（2） 对于更短脉冲区域(脉宽<10-12秒)，建立了含温度参数的导带电子产生率方程。方程可以描述温度对电子密度演化过程的影响，并可以预测材料激光损伤阈值随温度的变化。 .（3）分析了<100fs超短脉冲区域，雪崩电离和光致电离对材料激光损伤的贡献。解决了国际上关于脉宽小于100 fs时，雪崩电离与光致电离对损伤机制的影响的分歧。我们的研究显示在此区域，主要是光致电离起主要作用，与声子相关的雪崩电离过程对损伤的贡献很小。