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。

为了探究激光等离子体冲击波清洗过程中微纳颗粒的物态变化特性, 针对单晶硅表面 Al 微纳颗粒进行了清洗实验；结合等离子体传播规律与有限元法模拟了颗粒内部的应力和温度变化情况, 得到了颗粒相变和演化的规律。结果表明, 大颗粒与中颗粒数量明显减少, 尺寸由原来的0.5μm～3μm变为0.1μm～1μm；颗粒的物态变化主要是冲击波瞬时高温高压作用所致, 颗粒内最大应力达到1GPa, 最大温度达到1100K；颗粒在冲击波作用下发生了破裂与相变, 细小颗粒数量增多并粘附在样品表面, 增大了清洗难度。此研究可为激光清洗颗粒的理论和应用提供参考。

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.

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。

在高功率密度下产生的非线性效应和材料损伤等问题限制了光纤激光器输出功率的进一步提高。利用大模场光纤降低光纤能量密度，提高非线性阈值是一种最为直接和有效的手段。以空气孔尺寸为光波长量级的全内反射型光子晶体光纤为对象，采用等效折射率模型分析了光子晶体光纤的单模特性，利用有限元法分析了结构参数对光子晶体光纤的模场面积和色散等光束质量参数的影响。设计了一种工作波长为0.40~1.55 μm，模场面积为112.74~258.87 μm2，且在1.27 μm附近可补偿色散的大模场光子晶体光纤。该研究可为高功率光纤激光器大模场光纤的进一步参数优化设计及元件加工提供重要参考。

为了深入研究重复激光脉冲的能量效应对光学薄膜的烧蚀机理, 采用实验观测与热力学分析相结合的方法进行了研究。通过观察光学薄膜烧蚀形貌随入射激光脉冲数量增加发生改变的典型形貌特征, 分析了激光与等离子体相互作用的热力学过程, 得到了在激光重复脉冲作用下光学薄膜的损伤特性及其演化规律。结果表明, 薄膜在重复脉冲作用下, 其表面会变得粗糙, 这会大大增加对激光的吸收效应, 从而加速了薄膜的破坏, 最终被完全去除而露出基底; 同时, 烧蚀物会在热膨胀作用下向激光作用区域外扩散, 在激光烧蚀中心区域外进行沉积, 而形成更大范围的污染。由于激光光强为高斯分布, 重复脉冲作用的效应主要是对在光束中心区域的薄膜进行集中烧蚀, 会不断增加烧蚀的损伤程度, 而对烧蚀面积的增加效应极为有限。这一研究结果为重复激光脉冲对薄膜烧蚀机理的建立提供了参考。

基于几何光学与辐射照度理论，对菱形、环形和蜂窝状等3种典型LED阵列光源在近场上的照度分布进行研究，推导了不同阵列光源照射到目标面上的总辐射照度表达式，并依据斯派罗法则确定了LED间的最优化距离。进而根据照度公式，对LED阵列进行了仿真和对比分析，得出了不同阵列的光照度分布特点。菱形阵列可以得到较大范围的平坦度，环形阵列的平坦范围较小，能量集中分布在一个圆形范围内，有良好的集光效果，蜂窝状阵列的照度比较集中且占用的面板空间较小，可在一定程度上降低设计成本。

为了研究并分析纳秒脉冲激光去除金属表面漆膜的机理，采用1064nm的纳秒激光对涂有漆膜的铝板样品进行了单脉冲辐照实验。依据热传导理论分别模拟出作用过程中漆膜以及铝板表层的温度分布，计算出漆膜与铝板界面处由于铝板基底热膨胀而产生的分离力，并分析了等离子体冲击波对去除漆膜的影响。结果表明，纳秒激光去除漆膜时力的作用为主导，其中热膨胀产生的分离力为漆膜的去除提供必要条件，漆膜对激光等离子体的约束最终导致其自身断裂和剥落。采用热力学理论对纳秒激光去除金属表面漆膜机理进行分析是可行的。