熔石英光学元件在高能量密度的紫外脉冲激光辐照下往往极易出现后表面损伤，这严重影响了紫外高功率脉冲激光装置的可靠性。综合国内外相关研究进展，系统阐述了熔石英元件表面在高能量紫外脉冲激光辐照下的损伤特性，包括典型的初始损伤和损伤增长行为特征，介绍了熔石英元件表面缺陷的类型、分布特性和紫外脉冲激光诱导损伤的内在机制，并概述了常用的熔石英表面加工方法与缺陷控制技术。最后，介绍了熔石英表面缺陷无损检测新技术和抗损伤性能测试技术方面的研究进展。

为了建立有效无损的亚表面缺陷探测技术, 本文开展了光学元件亚表面缺陷的荧光成像技术研究, 通过系统优化激发波长、成像光谱、成像光路及探测器等影响探测精度和探测灵敏度的参数, 研制出小口径荧光缺陷检测样机。基于该样机对一系列精抛光熔石英和飞切KDP晶体元件的散射缺陷和荧光缺陷进行了表征, 获得了各类样品亚表面缺陷所占的比重差异很大, 从0.012%到1.1%不等。利用统计学方法分析了亚表面缺陷与损伤阈值的关系, 结果显示, 熔石英亚表面缺陷与损伤阈值相关曲线的R2值为0.907, KDP晶体亚表面缺陷与损伤阈值相关曲线的R2值为0.947, 均属于强相关。该研究结果可评价光学元件的加工质量, 用于指导紫外光学元件加工工艺, 并且由于该探测技术具有无损、快速的特点, 因此可应用于大口径紫外光学元件全口径亚表面缺陷探测, 具有极其重要的工程意义。

熔融石英光学元件的亚表面缺陷直接影响着其成像质量及激光损伤阈值等指标。相比缺陷的二维截面大小以及深度信息,亚表面缺陷三维轮廓及缺陷体积的定量检测结果可以用来更准确地评估熔融石英光学元件的加工质量。结合共聚焦显微镜的成像原理,使用共聚焦显微镜进行了熔融石英样品层析扫描实验。通过对亚表面缺陷图像特点的分析,提出了适用熔融石英元件亚表面缺陷的三维重建算法。提出的算法在亚表面缺陷重建效率与精度上均优于其他三维重建方法。根据重建后缺陷的统计结果,定量获得了熔融石英样品亚表面缺陷的完整三维信息。

KDP 晶体是目前高功率激光装置中倍频材料的首选, 元件上架前通常采用激光预处理来提高抗激光损伤性能, 由于预处理流程耗时较多, 提升预处理效率对于工程应用具有重要意义。研究了激光预处理参数对 KDP 晶体材料损伤性能的影响, 通过分析激光辐照通量、辐照发次、能量台阶等预处理参数与元件损伤性能的变化关系, 发现在一定通量范围内用不同的能量台阶可以获得同样的预处理效果, 由此确定采用变能量台阶的方法对预处理参数进行优化。实验证明, 采用此方法可以在保证预处理效果的前提下, 将总的激光辐照发次缩减三分之一, 结果对于大口径 KDP 晶体元件的激光预处理工艺具有重要参考价值。

采用后重氮偶合法，合成了一种新型含咔唑类聚磷腈有机光折变材料。采用氢谱核磁共振法，红外光谱法，紫外-可见吸收光谱法，热重法和差示扫描量热法对该聚合物进行表征和分析，结果表明，该聚合物具有良好的热稳定性，在230 ℃开始分解，450 ℃时基本分解完全。UV-Vis表明波长在360 nm与570 nm之间的宽的吸收带是由于共轭长度的增加产生的，因此可以调整参加偶合反应的重氮盐比例，来控制偶氮生色团功能组分的接入含量。在未使用外加电场及事先极化的条件下对聚合物进行了二波耦合与四波混频实验，证明了聚合物的光折变特性。得到聚合物P-2和P-3的二波耦合增益系数分别为38 cm-1和53.6 cm-1，聚合物P-2和P-3的四波混频衍射效率分别为2.7%和8.1%。

基于抛光所引起的熔石英元件表面、亚表面所存在的损伤前驱体分布，研究了不同种类的损伤前驱体所引起的损伤形貌。然后根据不同种类的损伤前驱体分别采用表面活性剂、强氧化性酸、氢氟酸的水溶液对不同的损伤前驱体进行处理。研究结果显示: 经过前期预先清洗以后，吸收性杂质所导致的雾状损伤得以消除，亚表面分布的裂纹得以很好地平滑钝化，极大地提升了熔石英光学元件的抗损伤性能，损伤阈值从4.8 J/cm2提高到11.0 J/cm2,最大提升幅度达到原来的2.3倍。

为了研究高功率激光传输过程中不透明颗粒引起的光束调制,通过分析这些不透明颗粒的形状和分布特点,建立了位置呈随机分布的高斯状散射点模型,从光束的衍射理论和干涉叠加理论出发,得到该模型下散射点对传输光束质量影响的解析式。数值分析了高斯状散射点的大小、密度、散射面积比及其传输距离对输出光束的近场分布、位相分布和光束透过率的影响,结果显示亚毫米量级散射点的衍射效应引起最大调制可达1.4,光学元件散射面积比小于0.003时才能满足元件透过率大于99.5%的需求。该结果可用于评价高功率激光装置光学元件的加工状况,并对光学元件加工要求和激光装置的洁净度要求有指导意义。

采用斜射式激发样品光路结构，设计了应用于测试时间分辨固体表面荧光光谱系统。利用该系统研究了氧化锌薄膜在355 nm激光脉冲激发下的时间分辨固体表面荧光光谱。结果表明，该系统能够实现测量时间分辨固体表面荧光光谱，并由此测量了样品的固体表面荧光寿命。该系统结构简单可靠，灵敏度高，响应速度快。

用HF酸刻蚀熔石英元件，研究刻蚀对元件后表面划痕的形貌结构及损伤性能的影响，探索损伤阈值提升的原因.时域有限差分算法理论计算结果表明：对于含有50 nm直径氧化锆颗粒的划痕，对入射光调制引发场增强的最大值是入射光强的6.1倍，且最强点位于划痕内部氧化锆颗粒附近，而结构相同但不含杂质的划痕引发的最大场增强为入射光强的3.6倍，最强区位于划痕外围；HF酸刻蚀能够有效去除划痕中的杂质，改变划痕结构，增加其宽深比值，经刻蚀的划痕对入射光调制引发场增强降低到入射光强的2.2倍.实验结果表明，经过深度刻蚀的划痕初始损伤阈值较刻蚀之前提高一倍多；光热弱吸收测试仪测试刻蚀后划痕对1 064 nm激光的吸收最大值仅为230 ppm.HF酸刻蚀同时可以提升元件整体损伤阈值，由于元件上无缺陷区域损伤阈值随刻蚀的深入先增加后降低，因此HF酸刻蚀应进行到元件损伤阈值提升到最大值为止.

对多层介质反射膜与单层化学增透膜的损伤形貌、损伤过程及膜层的吸收特性进行了实验研究。结果表明：缺陷除了可以从其形态和光学特征分类外，还可以按缺陷的功能来划分，即以缺陷的损伤阈值来区分不同缺陷的抗激光损伤能力。通过对缺陷吸收率的测量，表明膜层的损伤阈值与缺陷的分布密度和热吸收具有显著的一致性。通过对损伤阈值分布曲线研究，可以有效地对缺陷进行分级判断，从而分析光学元件表面功能性缺陷的分布状况。