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。

建立了高功率连续激光辐照透明光学材料的热力学模型,通过积分变换方法求解三维热传导方程,得出了激光辐照引起的瞬态温度场分布的精确解析解,并在此基础上进一步求得热应力场的瞬态分布。以1.315 μm的高能氧碘激光辐照熔石英玻璃为例,计算了熔石英在激光辐照下的温度场与热应力场分布,分析了其激光损伤机理。研究结果表明由于熔石英具有优良的热稳定性,温度不均匀分布所产生的热应力相对较小,激光损伤主要是受辐照区域温度值超过材料熔点发生熔融破坏。理论分析结果与相关的实验结论一致,说明所建立激光辐照效应模型的合理性。

研究了Ta2O5/SiO2硬膜双腔干涉滤光片带内、带边及带外的吸收和激光损伤特性。实验发现,对于作用激光,带通滤光片的驻波场分布、吸收率和损伤阈值在带内、带边和带外的响应特性对作用激光波长均呈现出明显的选择性。根据实验结果,结合滤光片的驻波场分析,给出了带通滤光片的损伤机理。