1 1.中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 绵阳 621900
2 2.中国建筑材料科学研究总院有限公司 绿色建筑材料国家重点实验室, 北京 100024
激光诱导损伤是导致熔石英真空光学元件突发破裂的根本原因。本工作采用神光-Ⅲ原型装置终端光学组件的熔石英真空光学元件制作了标准样品, 统计分析了熔石英玻璃样品表面损伤形貌特征, 探究了激光诱导损伤对熔石英玻璃样品弯曲强度的影响。结果表明: 激光诱导熔石英玻璃损伤点形貌为典型的半椭球体, 损伤点深度随其长度增大呈上升趋势, 深度极限基本不超过2 mm; 损伤点对熔石英玻璃弯曲强度影响非常明显, 含损伤点的样品平均弯曲强度仅为不含损伤点样品平均弯曲强度的41%。随着损伤点长度和深度增大, 熔石英玻璃的弯曲强度总体呈下降趋势, 但当损伤点长度大于15 mm, 弯曲强度下降趋势明显缓和, 损伤点长深比对弯曲强度无明显影响。熔石英玻璃真空窗口光学元件安全设计, 应考虑玻璃弯曲强度离散性及持久应力作用综合影响, 且在损伤点位置处的最大弯曲拉应力不应超过其弯曲强度设计值。
真空窗口光学元件 熔石英玻璃 激光诱导损伤 弯曲强度 安全设计 vacuum window optical element fused silica glass laser-induced damage bending strength safety design
1 江南大学理学院, 江苏 无锡 214122
2 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理重点实验室, 上海 201800
为了研究CO2激光损伤后熔石英玻璃内部的三维应力场分布,采用脉冲CO2激光与熔石英玻璃相互作用的有限元数值模型,计算了脉冲激光停止时熔石英玻璃内部的温度分布,并研究了材料冷却后的内部三维应力分布和表面初始损伤形貌,计算结果与实验结果吻合。以该模型为基础,详细分析了径向和环向应力的三维分布,结果表明,在损伤凹坑附近,径向应力表现为压应力,且在凹坑底部附近取得最大值后,径向应力沿深度方向逐渐转化为拉应力;损伤凹坑附近的环向应力与径向应力相似,均表现为压应力,但压应力沿径向逐渐转化为拉应力,不同深度处的环向应力沿轴向增至最大后逐渐减小。另外,脉冲激光能量的增大导致径向应力与环向应力及其影响范围均有明显增加。研究结果有助于分析激光损伤熔石英玻璃内部的三维应力场,为CO2激光修复工艺的改进提供了理论依据。
激光光学 激光损伤 三维应力分布 熔石英玻璃 温度场 有限元法
1 四川大学 电子信息学院 激光微纳工程研究所,成都 610065
2 中国工程物理研究院化工材料研究所,四川 绵阳 621900
研究了熔石英玻璃元件在纳秒激光等离子体冲击波作用下的表面和横截面损伤形貌,利用有限元法模拟了冲击波在熔石英玻璃内部的传播规律,并基于冲击波在玻璃内部的应力分布规律分析了损伤形成机理.研究发现：在冲击波作用下,石英玻璃会受到沿波面方向的压应力和沿波面切方向的拉应力,在这两种力的作用下,造成以激光辐照中心的弧状层状断裂和沿径向的断裂；冲击波的反射叠加还会使局部拉应力增大,造成靠近后表面的损伤.有限元法能够直观地分析等离子体冲击波对光学元件的作用,并分析光学元件在等离子体冲击波下的损伤机理.
激光诱导损伤 激光等离子体 冲击波 熔石英玻璃 有限元分析 Laser induced damage Laser plasma Shock wave Fused silica glass Finite element analysis 光子学报
2019, 48(10): 1030003
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610064
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
熔石英玻璃是高能激光系统中不可缺少的光学材料, 其损伤问题一直是限制系统能量提升的瓶颈之一。 通过纳秒激光脉冲诱导熔石英玻璃样品产生断裂, 并使用多光谱手段对断裂前后样品进行检测, 从而在实验和理论上了解了样品断裂形貌及内部相变结构成因, 并从宏观到微观上统一解释了断裂形貌和相变结构的关系。 在激光等离子冲击波作用下, 熔石英发生断裂, 且冲击波作用过程中在玻璃内部产生了推动裂纹扩展的尖端环向应力。 在尖端环向应力作用下, 不同损伤区域形成了不同扩展速度和长度的裂纹, 按照裂纹形貌特性差异可以将断裂区分为雾化区、 羽毛区、 镜面区三个部分。 使用透射光谱、 能量散射光谱检测损伤前后样品, 发现裂纹的产生引起了玻璃透过率和带隙的下降, 且断裂区出现氧原子游离或缺失; 使用Raman光谱检测样品损伤前后不同形貌区, 发现等离子冲击波使熔石英中Si—O—Si键断裂并发生重组, 导致镜面区、 羽毛区、 雾化区三元拓扑环和四元拓扑环宏观上对应的斯石英相和柯石英相的相对含量依次升高, 破坏了材料的固有原子结构特性, 使材料断裂区向高密度相转变。 氧游离的发生会在玻璃内部产生的大量缺陷, 从而使得玻璃透过率及带隙下降, 严重影响了玻璃的性能。
熔石英玻璃 激光诱导损伤 相变 拉曼光谱 Fused glass Laser-induced damage Phase transition Raman spectra 光谱学与光谱分析
2017, 37(11): 3327
1 大连理工大学物理与光电工程学院， 辽宁 大连 116024
2 广东海洋大学理学院， 广东 湛江 524088
3 福建福晶科技股份有限公司， 福建 福州 350003
利用小功率40 kHz的CO2脉冲激光对25 μm厚的超薄熔石英玻璃与熔石英毛细管端面进行热熔焊接，研究和分析了占空比(脉冲激光功率)、离焦激光预热、离焦激光退火对熔石英玻璃热熔焊接的影响。结果表明，实现超薄熔石英玻璃与毛细管端面无气化穿孔、密封、牢固焊接的占空比为37%；占空比为20%的+2 mm离焦脉冲激光预热对超薄熔石英玻璃无裂纹/裂缝的焊接起到了关键作用；适当占空比的-2 mm离焦脉冲激光退火能够释放超薄熔石英玻璃在热熔焊接过程中产生的残余热应力，提高熔石英器件的性能，经激光焊接的光纤法布里珀罗传感器的压力和温度曲线的线性度分别为0.9995和0.9991，而且重复性好。
激光技术 CO2激光 热熔焊接 熔石英玻璃 中国激光
2012, 39(10): 1003004
1 国防科学技术大学光电科学与技术学院, 湖南 长沙 410073
2 中国科学院福建物质结构研究所, 福建 福州 350002
以K9玻璃与熔石英玻璃代替传统的液体或气体作为纵向受激布里渊散射(LSBS)样品, 波长1.064 μm,脉宽可调的单纵模电光调Q激光器作抽运光, 实验探讨了抽运光脉宽、抽运光能量大小、抽运光脉冲重复频率对纵向受激布里渊散射脉宽压缩效应和散射光能量提取效率的影响。实验结果表明, 抽运激光脉冲重复频率高, 则散射光能量提取效率高; 脉宽小, 则散射光能量提取效率高; 焦距为500 mm时300 mm长的K9玻璃中得到的散射光能量提取效率比170 mm长的熔石英玻璃高; 在抽运光脉冲重复频率为1 Hz时, 二者都可以得到90%的散射光能量提取效率。探讨了抽运光为多纵模时, 固体介质中受激布里渊散射与光学击穿相伴发生的三种不同情况。实验证明, 多纵模情况下固体光学介质中同样可以发生受激布里渊散射; 多纵模情况下不一定会对固体光学介质产生光学击穿破坏; 光学击穿破坏的发生也不一定会阻止受激布里渊散射的发生, 二者可以相伴发生。
非线性光学 受激布里渊散射 K9玻璃 熔石英玻璃 重复频率 散射光能量反射率 多纵模
1 国防科学技术大学光电科学与技术学院, 湖南 长沙 410073
2 中国科学院福建物质结构研究所, 福建 福州 350002
以K9玻璃与熔石英玻璃代替传统的液体或气体作为纵向受激布里渊散射(LSBS)样品, 波长1.064 μm,脉宽12 ns的单纵模电光调Q Nd:YAG激光器作抽运光, 实验上以脉宽压缩和后向斯托克斯(Stokes)散射光频移为标志, 测到后向斯托克斯散射光线宽和散射光脉宽压缩比。研究了纵向受激布里渊散射样品的长度、抽运光能量大小、材料种类对纵向受激布里渊散射脉宽压缩效应和散射光能量提取效率的影响。实验结果表明, 熔石英与K9玻璃的受激布里渊散射发生阈值、饱和阈值、散射光能量提取效率、散射光脉冲波形均相近, K9玻璃可以成为一种更廉价的受激布里渊散射介质。针对170 mm的熔石英玻璃样品, 找到了纵向受激布里渊散射的发生阈值、饱和阈值, 并得到了较高的散射光能量提取效率, 从100 mm的熔石英玻璃中获得了87%的散射光能量提取效率, 而从170 mm的熔石英中获得了90%左右的散射光能量提取效率。实验数据拟合的规律曲线印证了数值模拟结果。
非线性光学 受激布里渊散射 K9玻璃 熔石英玻璃 能量反射率 脉宽压缩
