光学薄膜的等离子体烧蚀损伤动力学及其“灾难性”转变机理研究

Catastrophic damage of optical coatings is the key role to limit the stable operation and higher output power of high-power laser facility. Abundant investigations indicate that both the benign plasma scalds and the catastrophic delamination are related with the plasma formation during defect-induced damage process. Nevertheless, the fundamental damage dynamics of plasma scalds and the catastrophic transition mechanism are still unclear. With the technologies of dielectric coatings on the artificial-pit arrays on substrates and ultrafast diagnosis of plasma scalding dynamics, the current project aims to investigate the effect of laser energy and ambient gas on the processes and develop the plasma expansion model in the compressible fluid to describe the interaction between plasma and remained pulse. With material analysis and molecular simulation of defects evolution of coating under shock compression, the catastrophic transition and growth mechanism will be revealed by the physical model and material properties of scalding areas. The achievements of this project will be fundamental beneficial to guide the improvement of coating performance and stable operation of high-power laser facility.

光学薄膜的“灾难性”损伤是限制高功率激光装置稳定运行和向更高能量发展的关键。目前大量研究工作阐述了“良性”的等离子体烧蚀和“灾难性”的剥落损伤均同缺陷诱导损伤过程中形成的等离子体有关，但相关动力学过程及其“灾难性”转变机理仍尚未明确。本项目拟基于光学薄膜“预植缺陷”诱导等离子体烧蚀损伤动力学超快诊断技术，通过激光能量、环境气体对等离子体膨胀动力学过程的影响规律分析，构建等离子体早期膨胀可压缩流体模型，结合材料性质分析与冲击负载下缺陷状态演化分子动力学模拟分别从物理与材料的角度揭示等离子体烧蚀损伤特征发生“灾难”性转变、“灾难”性损伤区域在后续辐照下强烈吸收激光能量并急剧生长的内在机理，为从根本上提高薄膜元件性能与寿命、改善高功率激光装置运行稳定性提供方向性指导。

光学薄膜的“灾难性”损伤是限制高功率激光装置稳定运行和向更高能量发展的关键。目前大量研究工作阐述了“良性”的等离子体烧蚀和“灾难性”的剥落损伤均同缺陷诱导损伤过 程中形成的等离子体有关，但相关动力学过程及其“灾难性”转变机理仍尚未明确。本课题主要开展了非晶氧化硅薄膜激光损伤诱导等离子体特征参数探测、非晶氧化铪薄膜灾难性损伤在线监测技术、非晶氧化硅势函数构建、非晶氧化硅激光损伤冲击状态的非平衡分子动力学研究。激光诱导击穿谱表明激光损伤过程所激发的Si谱线具有较好的信噪比，可以被用来作为分析激光损伤等离子体密度与温度的关键谱线。该研究为分析激光损伤动力学过程中的极端状态条件提高了有效手段，为发展新型损伤在线诊断技术提供了机遇。损伤过程中LIBS元素谱线的出现及其谱线强度，和损伤显微形貌随脉冲数的变化过程是一致的，通过检测损伤过程中LIBS特征Si谱线强度的突增，确定了HfO2单层膜灾难性损伤临界脉冲。本研究内容对发展高功率装置光学元件损伤在线实时快速检测具有重要的现实意义。在已有势函数的基础上基于新的物理模型发展了氧化硅势函数，在精度与效率方面取得了较好的平衡，突破了周期边界条件的约束，为研究激光与材料表面、界面相互作用提供理论工具支持。利用新型势函数研究了大尺度非晶薄膜结构缺陷对激光驱动冲击波诱导损伤的动力学响应，界定了典型的良性与灾难性缺陷，为系统研究激光元件加工与修复提供理论指导。