K9玻璃具有硬度高、 热稳定性好、 膨胀系数小以及较高的透过率等特性, 被广泛应用在高功率激光领域。 光学元件污染物诱导损伤问题成为限制高功率激光器发展的瓶颈之一, 深入研究光学元件的损伤机理对于控制损伤的形成具有重要意义。 为探究损伤机理, 利用光谱探测分析对Al2O3诱导K9玻璃激光损伤的机制进行了研究。 即采用EDS能谱探测技术对损伤前后损伤形貌及元素原子百分比变化进行探究, 进而了解损伤过程中发生的物理变化及烧蚀化学变化, 并结合LIBS技术对损伤过程中的电离过程进行诊断和讨论。 实现了对光学元件损伤原理的探究以及光学元件安全的实时监测。 研究结果表明, 在激光诱导污染物至K9玻璃损伤的过程中, Al2O3颗粒形貌发生变化, K9玻璃也有微形损伤坑的出现。 此外, Al2O3颗粒元素原子百分比含量由于颗粒的变形而发生改变, K9基底中含有的Na2O与氧气结合造成了O元素原子百分比含量升高, SiO2会发生气化-凝结成超细颗粒导致Si元素原子百分比的降低。 这些变化直接反映了在损伤过程中发生了高温熔融现象。 电离击穿过程可以采用LIBS进行检测, 得到在损伤过程中有等离子体闪光的特性。 对上述物理过程进行了建模仿真研究, 使用COMSOL模拟分析了在损伤过程中的热传导以及等离子体冲击波在基底内的传播特性。 研究表明在发生损伤的过程中颗粒的温度达到2 800 K高于自身的熔点(2 313 K), 同样, 基底的温度(2 500 K)也高于自身的熔点(1 673 K), 这直接引起相变, 并在后续激光辐照下产生等离子体, 等离子体的高压冲击等作用致使基底微型熔融损伤坑的出现。 模拟分析验证了LIBS技术和EDS能谱分析探究光学元件损伤机制的可行性和准确性, 该方法既可以用于损伤机理的分析, 还可以对高功率激光系统稳定运行实施监测。

为促进寒冷地区煤矸石在混凝土中的应用, 通过机械-微波方式对煤矸石进行复合活化, 从表观形貌、质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度和劈裂抗拉强度等方面对煤矸石粉混凝土的损伤劣化规律进行了研究, 并使用扫描电子显微镜、核磁共振波谱仪和X射线衍射仪等研究了活化煤矸石粉对混凝土抗冻性能的改性机理。结果表明: 20%(质量分数)掺量下活化煤矸石粉对混凝土抗冻性能改善效果最好, 且经300次冻融循环后, 质量损失率和相对动弹性模量分别为2.32%和91.32%, 抗压强度和劈裂抗拉强度分别下降了16.40%和26.12%; 活化煤矸石粉能填充、细化孔隙, 且其二次水化能消耗水泥水化产物Ca(OH)2, 产生C-S-H和C-A-S-H, 提升水泥石密实程度, 改善孔结构, 使大孔占比减少。

随着超短超强自由电子激光等光源的应用，极紫外、X射线波段薄膜反射镜的抗辐照性能备受关注。本文介绍了IPOE实验室搭建的纳秒极紫外辐照损伤装置，并对极紫外-X射线自由电子激光常用的B₄C薄膜反射镜、Au和Ru金属单层膜反射镜、B₄C/Ru双层膜反射镜以及极紫外光刻用Mo/Si多层膜反射镜开展了辐照损伤测试，获得了不同材料和结构的薄膜反射镜抗损伤性能，结合理论模拟揭示了热熔融、热应力和膜层间扩散反应等损伤机制的作用。

开展了波长分别为1 064 nm、532 nm和416 nm, 脉宽均为5 ns的单脉冲激光损伤CCD的实验, 观测并比较了不同损伤阶段三种波长激光各自损伤CCD的视频图像、微观形貌、阈值和芯片引脚的电阻阻值, 分析了CCD的损伤机理。在532 nm和416 nm激光所损伤CCD视频输出图像中发现了并未出现在1 064 nm激光所损伤CCD视频输出图像中的黑点现象; CCD发生损伤时, 微透镜层的损伤状况随辐照激光波长减小而愈加严重; 1 064 nm激光损伤CCD的阈值最高, 532 nm和416 nm激光损伤CCD的阈值相近。与未损伤的CCD相比, 完全失效CCD的基底与垂直移位寄存器的电阻、垂直移位寄存器间的电阻明显下降, 由此推断, 基底与多晶硅电极的短路或多晶硅电极间的短路是造成CCD白屏的主要原因。

为了探究高功率连续激光作用下CCD的损伤特性随时间的演化规律, 根据其结构特点和工作原理, 建立了1.06 μm连续激光辐照CCD的六层结构热力耦合三维模型。综合考虑了微透镜聚焦和铝膜开口率等因素的影响, 通过改变CCD不同损伤阶段的激光辐照方式, 数值模拟分析了CCD多层结构的层层损伤机理, 研究了CCD各个损伤阶段的时间阈值, 并与实验结果进行了对比。结果表明, 微透镜聚焦光束阶段, 微透镜由于熔点较低, 发生熔融分解, CCD表现为点损伤; 微透镜熔融阶段, 失去聚光能力, 在应力损伤和熔融损伤共同作用下, 铝膜层熔融剥落, 表现为纵向亮线损伤; 铝膜层熔融剥落阶段, 激光直接辐照在硅电极上, 硅电极上表面熔融, 造成布线电路的损伤, 导致部分像元中的电荷无法转移, 出现横向暗线损伤; 最后, SiO2绝缘层受剪切应力而断裂, 使得硅电极和硅基底相互导通, 造成完全损伤。实验与仿真结果趋势一致, 误差较小, 相互验证。

针对卫星轨道上空间辐射环境引起的光学相机性能退化问题,采用8晶体管(8T)-全局曝光互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器进行重离子辐照实验。实验结果显示,不同功能模块寄存器发生单粒子翻转,导致输出图像出现不同的异常模式,主要表现为输出图像“卡零”、若干相邻列输出异常、整幅图像“花屏”等。结合器件的不同子电路功能、工艺结构和工作原理,分析重离子入射器件微观作用过程对宏观图像异常模式的影响,深入探讨器件不同功能模块单粒子翻转的敏感性和损伤机理。研究结果可为CMOS图像传感器加固设计、单粒子地面模拟实验方法及标准和评估技术的建立提供重要参考。

为了研究碳纤维环氧树脂在不同脉宽激光辐照下的损伤形貌, 采用全自动变焦测量技术进行了实验验证, 测量了碳纤维环氧树脂在毫秒/纳秒脉冲激光辐照下, 损伤面积、损伤深度以及损伤形貌随激光能量密度的变化。结果表明, 在毫秒脉冲激光作用下, 材料损伤区域中心会产生一定的温度积累, 损伤区域有一定的热效应, 出现熔融、热解等现象, 当激光能量密度为20.5J/cm2时, 材料的损伤深度达到了47.3μm, 材料表面析出的碳化物的高度为157.1μm, 损伤深度以及表面碳化物的高度都随着能量密度的增大而增大; 在纳秒激光作用下, 光斑周围有明显的热反应区域, 当能量密度大于47.3J/cm2时, 表面的热反应区尤为明显, 损伤面积随激光能量密度的增大明显增大, 由于作用时间较短, 损伤主要为表层损伤; 树脂热解的气体向外膨胀, 导致纤维结构断裂。研究结果为激光对碳纤维环氧树脂的损伤效果提供了实验依据。