熔石英损伤增长的复合波长效应研究

In high-power laser facilities, fused silica optics bear three laser irradiation simultaneously, which are fundamental light, second harmonic light and UV light with the wavelength of 1053nm, 526nm and 351nm respectively. Due to the multiple wavelengths effect, the damage growth behavior of fused silica under the irradiation of multiple wavelengths is different from that under the irradiation of single UV laser. Briefly, fundamental light and second harmonic light will strength the UV damage growth of fused silica. In our previous research, we found that the multiple wavelengths effect in damage growth of fused silica is closely related to the wavelength dependence of laser absorption in the damage process of fused silica. Thus we propose to explore the mechanism of multiple wavelengths effect from the wavelength dependence of laser absorption in the three main processes of laser damage, which are defects or impurities absorption, run-away absorption of fused silica and plasma absorption. We can obtain a converted coefficient with theoretical basis. Next we experimentally demonstrate the wavelength dependence of fused silica run-away absorption. Furthermore, we study the damage growth behavior of fused silica under the irradiation of multiple wavelengths, acquire the damage growth rule and build a damage growth model which contains the multiple wavelengths effect. The research results in this project will contribute to understanding the mechanism of the multiple wavelengths effect, and is significant in the accurate prediction of fused silica life and the operation and maintenance strategy design of laser facilities. It can also provide new idea for the laser damage research.

高功率激光装置中熔石英元件同时承受多种波长激光的辐照，即波长分别为1053nm，527nm和351nm的基频光、二倍频光和三倍频光，由于复合波长效应的影响，熔石英在多波长辐照下的损伤增长行为不同于单一的紫外光辐照，其他波长激光对熔石英的紫外损伤增长存在一定的“加速”作用。我们前期研究发现，复合波长效应源于损伤过程中激光吸收的波长差异性，据此本项目提出从熔石英损伤的不同阶段来探索复合波长效应的产生机制，分析损伤过程中缺陷吸收、熔石英失控吸收以及等离子体吸收的波长差异性，获得具有一定理论基础的复合波长效应折算因子，并从实验上论证失控吸收的波长差异性；同时，研究复合波长辐照下熔石英的损伤增长规律，建立含复合波长效应的熔石英损伤增长模型。本项目研究结果有助于阐明复合波长效应的产生机制，对高功率激光装置熔石英使用寿命的精确预测和装置运行维护策略的科学设置具有重要意义，也可为激光损伤研究提供新的思路。

大型高功率激光装置在国防领域有着举足轻重的作用，而熔石英激光损伤是高功率激光装置中瓶颈元件的瓶颈问题。实现大型高功率激光装置的科学运行需要建立熔石英激光损伤和使用寿命模型，实现对熔石英使用寿命的精确预测。. 复合波长效应是熔石英激光损伤和使用寿命模型中的一项重要内容。本项目首先研究了熔石英在三倍频激光单独辐照下的损伤增长行为，发现损伤增长速率与激光通量正相关，与损伤尺寸负相关。进一步的，在相同实验条件下，研究熔石英在三倍频光与基频光同时辐照，以及三倍频光与二倍频光同时辐照下熔石英的损伤增长规律，发现在相同的三倍频激光通量下，复合波长辐照时损伤增长速率大于单独三倍频辐照，证实了复合波长效应的存在。将三倍频单独辐照下损伤增长速率与激光通量的关系为基准，对比复合波长辐照下的损伤增长速率，从而获得了二倍频光和基频光相对三倍频光的折算因子，在0.7~0.98之间，折算因子与三倍频通量有关。. 分析了熔石英损伤增长中的能量沉积机制，研究了致密层的结构特性，分析了致密层吸收、失控吸收和等离子体吸收的波长差异性，发现失控吸收是决定损伤点尺寸和损伤增长速率的主要过程。进一步，建立了基于吸收波前的失控吸收模型，通过求解失控吸收对应的热传导方程，得出了不同波长辐照下不同时刻吸收波前的演化，获得了吸收波前的推进速率，继而计算失控吸收过程激光吸收的波长差异性，波长差异性形成的折算因子与实验测量基本吻合，证实了折算因子与失控吸收波长差异性的内在联系。. 本项目研究成果一方面加深了对熔石英激光损伤的科学认识，另一方面利用实验获得的折算因子，可进一步完善熔石英的使用寿命模型，使模型更加贴近装置的实际运行条件，预测结果也更加吻合，为熔石英激光损伤和使用寿命的精准预测奠定了基础，为大型高功率激光装置的科学运行和维护提供重要的工具。