缺陷对典型光学材料抗激光损伤性能的影响

It is generally reckoned that the defects induced by the irradiation of long pulse laser can cause laser induced damage,resulting in the failure to normal work of the whole high power laser system. However, the damage of optical material induced by ultrashort pulse laser is decided by the properties of the material itself.This work focus on the defects inducd by pulsed laser in typical optical elements,such as optical thin-film and fused silica, in order to make a systematical study on the influence of the defects induced by pulsed laser on the improvement of properties to resist laser damage.To study the influence of nodule and nanometer defect in ultrashort laser pulse induced film damage, four typical types of film will be manufactured and tested both by single nanosecond and picosecond pulse. By contrasting the experimental damage morphology to theoretical simulation result, we will check if the defect-induced damage is the main cause in the laser induced damage in films.In order to study the effect of different defects for laser induce damage in fused silica, three fused silica samples are manufactured by mechanical polishing, MRF polishing and ion beam polishing, respectively. They will be all damage tested by nanosecond laser pulses at 355 nm. The results will have a significant effect on choosing and improving polishing methods for UV laser-induced Inertial Confinement Fusion (ICF).

一般认为长脉冲激光辐照过程中光学薄膜和元件中的缺陷会诱导激光致损从而导致整个高功率激光系统无法正常工作，而超短脉冲致损光学材料主要由材料本身属性决定。本项目以典型高功率激光元件（光学薄膜和熔石英）为研究对象，以缺陷诱导激光致损的观点为研究主线，将系统的开展脉冲激光辐照下缺陷对典型光学材料抗激光损伤性能影响的研究。针对光学薄膜，选取四种典型薄膜进行纳秒和皮秒的单脉冲激光损伤实验，在理论上将建立节瘤缺陷和纳米颗粒缺陷致损模型，通过将实验损伤形貌与理论模拟结果对比的方法，研究超短脉冲激光辐照下缺陷是否是诱导薄膜致损的主要原因。对于熔石英材料，以三种传统抛光工艺生产的熔石英为研究样品，进行355nm的纳秒激光损伤实验，研究不同工艺导致的熔石英表面缺陷在激光辐照过程中的损伤特性，结论将在指导用于紫外激光核聚变的熔石英元件抛光工艺的选择与改进方面有重要意义。

光学材料中的缺陷诱导损伤问题限制了高功率激光系统的发展及应用。本项目对光学薄膜和熔石英窗口的激光诱导损伤进行了实验研究与理论分析，主要研究成果与结论如下：（1）数值模拟了薄膜中的光场特性，包括干涉场以及缺陷引起的场分布。利用平面波展开的方法计算了脉冲作用下的薄膜干涉场，结果表明，场分布严格依赖作用时间，形成的场增强系数也与长脉冲激光作用下不同；对缺陷场分布的模拟结果表明，节瘤缺陷在较大范围内扰乱干涉场，而纳米颗粒缺陷，即使尺寸只有数十纳米，也能造成局部的场增强效应，尤其当缺陷对激光的吸收较强时，形成的场增强效应系数也较大。（2）单脉冲损伤实验结果表明，脉宽越短，薄膜损伤行为越确定。对同一薄膜，皮秒激光损伤阈值比纳秒激光小一个量级。（3）薄膜的阈值损伤由缺陷诱导，结合脉冲持续时间内的热扩散长度以及缺陷的温度场分布等特性，解释了皮秒激光造成的损伤点比纳秒激光更小、更浅等现象出现的原因。当激光能量密度大于阈值时，干涉场增强效应导致的膜层剥落弱化了缺陷的作用，通过计算纳秒、皮秒激光作用下的膜层温度场，对不同样品上出现的膜层剥落或烧蚀行为进行了分析。（4）不同加工工艺下的熔石英在355nm纳秒激光损伤阈值区别不大，主要是因为不管是哪种加工工艺都会引入相应的表面/亚表面缺陷。（5）损伤点宽度与深度随辐照发次呈线性增长，且宽度增长比深度增长更快，同时波动性也更大。材料因破坏造成机械强度分布不均匀性是可能导致宽度变化波动较大的原因。（6）熔石英损伤坑形成阶段主要包括快速形成（<30ns）的损伤核心与相对缓慢的损伤坑壁和裂纹的形成（几百纳秒）。损伤核的形成特征与样品种类无关，但后续物质喷发则取决于样品物理性质。