準(zhǔn)分子激光損傷K9玻璃和熔石英的理論與實驗研究.pdf

1、準(zhǔn)分子激光對光學(xué)材料的損傷研究具有重要的應(yīng)用背景。作為典型的光學(xué)材料，K9玻璃和熔石英常用作光學(xué)系統(tǒng)的窗口、棱鏡、反射鏡以及濾光片的基底材料等，是激光系統(tǒng)和光電探測裝置中使用最為廣泛的光學(xué)材料，在軍事上有著廣泛的應(yīng)用。隨著新型激光武器的發(fā)展，用于軍事上的各種探測器幾乎都面臨著高功率激光武器的嚴(yán)重威脅。準(zhǔn)分子激光由于波長范圍廣、光子能量高、峰值功率大、靶耦合效率高等特點，在激光精密加工以及軍事領(lǐng)域中，特別是空間應(yīng)用上，高功率的準(zhǔn)分子激光器

2、有著很大的潛在價值。因此，研究準(zhǔn)分子激光對K9玻璃和熔石英的損傷具有重要的軍事價值，論文的工作不僅有助于進一步深入理解紫外激光與物質(zhì)的相互作用，而且為激光加工和激光攻防領(lǐng)域提供重要的參考數(shù)據(jù)，并可以為光學(xué)元件的抗激光損傷特性研究提供理論依據(jù)。
　　論文選取深紫外波段193nmArF激光、波長處于日盲區(qū)的248nmKrF激光和波長處于大氣窗口的308nmXeCl激光這三種最具代表性的準(zhǔn)分子激光，對K9玻璃和熔石英進行了理論與實驗方面

3、的損傷研究。先后建立了準(zhǔn)分子激光損傷K9玻璃以及雜質(zhì)微粒引起熔石英損傷的理論模型，采用有限元法對K9玻璃受到KrF準(zhǔn)分子激光輻照時的溫度和應(yīng)力場分布進行了數(shù)值模擬，理論研究了準(zhǔn)分子激光輻照K9玻璃的熱力效應(yīng)、損傷閾值、以及激光參數(shù)對損傷效果、損傷閾值的影響，并且分別開展了ArF、KrF和XeCl準(zhǔn)分子激光對K9玻璃和熔石英的損傷實驗，獲取準(zhǔn)分子激光對K9玻璃和熔石英的損傷閾值和損傷形貌。通過實驗與理論模擬相結(jié)合，研究了準(zhǔn)分子激光對K9玻

4、璃和熔石英的損傷機制和損傷規(guī)律。本論文的主要研究成果如下:
　　1、準(zhǔn)分子激光輻照K9玻璃時，當(dāng)溫度遠(yuǎn)沒有達(dá)到玻璃熔點，材料就已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的熱應(yīng)力損傷，這種損傷首先產(chǎn)生于材料內(nèi)部，由環(huán)向拉伸熱應(yīng)力控制;隨著激光能量密度的逐漸增大，輻照區(qū)內(nèi)先后出現(xiàn)由壓縮熱應(yīng)力造成的應(yīng)力損傷和熔融損傷，輻照區(qū)邊緣則出現(xiàn)由拉伸熱應(yīng)力造成的應(yīng)力損傷。熱應(yīng)力都是以沖擊波的形式在材料內(nèi)傳播的，熱應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在激光脈沖結(jié)束時刻，隨后會迅速減弱，大小隨時間

5、變化而來回振蕩。這種熱應(yīng)力的反復(fù)沖擊會對光學(xué)材料產(chǎn)生持續(xù)的損傷增長效應(yīng)，增加了材料的損傷時間，也更容易使材料斷裂。
　　2、根據(jù)理論模型計算出KrF準(zhǔn)分子激光對K9玻璃的拉伸應(yīng)力損傷閾值為0.64J/crn2，壓縮應(yīng)力損傷閾值為0.76J/cm2，熔融損傷閾值為1.05J/cm2。并且，激光參數(shù)對損傷效果、損傷閾值有著較大影響。在重頻激光輻照下，損傷累積效應(yīng)非常明顯，高重頻激光更容易對材料造成損傷。
　　3、實驗測量得到了不

6、同波長的準(zhǔn)分子激光對K9玻璃和熔石英的損傷閾值，并分析了損傷閾值與波長的關(guān)系。由等離子體閃光法測量出ArF、KrF和XeCl準(zhǔn)分子激光對K9玻璃的損傷閾值分別為0.44J/cm2、1.8J/cm2和3.68J/cm2;相對應(yīng)的三種不同波長的準(zhǔn)分子激光對K9玻璃的零幾率損傷閾值分別為0.21J/cm2、1.24J/cm2和2.45J/cm2。損傷均發(fā)生在K9玻璃的入射面，入射激光波長越短，損傷閾值越低，呈現(xiàn)出明顯的波長效應(yīng)。ArF和KrF

7、準(zhǔn)分子激光輻照熔石英時，都是熔石英入射面先發(fā)生損傷，根據(jù)等離子體閃光法測量出損傷閾值分別為0.83J/cm2和3.8J/cm2，相對應(yīng)的零幾率損傷閾值分別為0.4J/cm2和2.7J/cm2。XeCl準(zhǔn)分子激光輻照熔石英時，是熔石英出射面先發(fā)生損傷，出射面損傷閾值比入射面損傷閾值低，由等離子體閃光法測量得到入射面和出射面損傷閾值分別為2.2J/cm2和1.7J/cm2，兩者存在著近1.3倍的差異。
　　4、ArF和KrF準(zhǔn)分子激光

8、對K9玻璃最主要的損傷機制是熱力耦合的損傷機制;XeCl準(zhǔn)分子激光對K9玻璃最主要的損傷機制是表面雜質(zhì)引起的熱損傷機制。在多脈沖輻照下，不同波長的準(zhǔn)分子激光對K9玻璃的損傷增長均符合指數(shù)增長規(guī)律，且損傷累積效果明顯。
　　5、ArF準(zhǔn)分子激光對熔石英的損傷機制主要有多光子電離損傷機制、熱力耦合損傷機制，以及表面雜質(zhì)吸收引起的熱損傷機制;KrF準(zhǔn)分子激光對熔石英的損傷機制，主要是表面強吸收性雜質(zhì)引起的熱損傷機制;XeCl準(zhǔn)分子激光對

9、熔石英的損傷機制，主要是自聚焦損傷機制和表面雜質(zhì)吸收引起的熱損傷機制。在多脈沖輻照下，不同波長的準(zhǔn)分子激光對熔石英的損傷累積效應(yīng)也非常明顯，損傷增長機制主要以高溫等離子體的沖擊作用和激光能量再沉積為主。雖然準(zhǔn)分子激光對熔石英的損傷是多種損傷機制共同作用的結(jié)果，但是不管哪種損傷機制占主導(dǎo)地位，表面雜質(zhì)引起的熱損傷機制始終存在。對熔石英表面雜質(zhì)的控制處理是影響光學(xué)元件抗激光損傷能力的關(guān)鍵。
　　6、隨著波長的變化，準(zhǔn)分子激光對熔石英的

10、損傷增長滿足不同的關(guān)系，并且熔石英的入射面和出射面也呈現(xiàn)出不同的損傷增長規(guī)律。ArF準(zhǔn)分子激光對熔石英的損傷增長主要發(fā)生在入射面，呈指數(shù)規(guī)律增長，且出射面沒有發(fā)生損傷;KrF準(zhǔn)分子激光對熔石英的初始損傷在入射面和出射面基本相同，但后續(xù)的損傷增長則呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，入射面損傷呈指數(shù)規(guī)律增長，出射面損傷增長比較緩慢，入射面和出射面的損傷形貌由初始損傷狀態(tài)下呈現(xiàn)出相同的損傷形貌發(fā)展成為入射面損傷形貌遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)重于出射面;XeCl準(zhǔn)分子激光對熔石英

11、的入射面損傷滿足線性規(guī)律增長，出射面損傷滿足指數(shù)規(guī)律增長，出射面的損傷程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)重于入射面。造成不同波長下熔石英入射面和出射面損傷程度不同的根本原因是激光波長對等離子體屏蔽作用的影響，波長越短，等離子體的屏蔽作用越不明顯。
　　7、區(qū)別于遠(yuǎn)紅外的脈沖CO2激光，短波長的紫外準(zhǔn)分子激光對同種光學(xué)材料的損傷效果更好。可見，波長對損傷效果有著重要影響。特別是在紫外波段，隨著波長的變短，光子能量逐漸增大，多光子電離（包括單光子、雙光子)的