温度效应对超短脉冲激光辐照下光学元件性质影响的研究

摘要

惯性约束核聚变(ICF)的提出使得受控核聚变能源获取方式有望成为替代化石能源的未来新能源，用于 ICF研究的高功率固体激光装置的负载能力是衡量其综合性能的主要技术指标之一，而光学元件的抗激光损伤能力成为影响整个装置负载能力的重要因素。
　　通过对激光诱导光学元件损伤的物理机制的研究，发现降低温度可以有效抑制光学元件在长脉冲激光辐照过程中产生的热效应和降低在短脉冲辐照过程中由于雪崩电离引起的导带电子密度的增加，从而提高损伤阈值。本论文在实验上对不同温度下(296K~86K)熔石英和 K9玻璃的激光损伤阈值进行研究，得到温度与激光损伤阈值之间的温度曲线关系。接着我们采用纳秒区域的热爆模型和飞秒区域的温度产生率方程对实验结果进行了数值仿真研究，分析了温度曲线的物理机制。主要研究内容包括：
　　1.采用可见光反射损伤判定法和N-on-1损伤测量法对不同温度经不同预处理的熔石英和K9玻璃后表面纳秒三倍频激光损伤阈值进行测量，实验结果表明其损伤阈值随温度的降低均出现先增大后减小的趋势，并存在一个与预处理方式无关且损伤阈值最大的温度点。两者经酸刻蚀后的损伤阈值较常温(296K)时最大提升幅度分别为21.12％，24.36%，较两者未经酸刻蚀常温(296K)时最大提升幅度分别为66.06%，31.08%。采用含杂质项的热爆炸模型对实验结果进行了数值模拟，模拟结果表明其损伤阈值的温度曲线主要取决于材料的临界损伤温度和杂质的非线性吸收系数，并与实验结果在各方面都较好的吻合。研究表明，温度和预处理技术相结合可以大幅度地提升材料的损伤阈值，在工程上有较好的潜在应用价值。
　　2.采用损伤面积外推法对不同温度下熔石英玻璃和 K9玻璃飞秒激光单脉冲和多脉冲辐照下前表面损伤阈值进行测量，800nm@260fs激光辐照情况下，其单脉冲激光损伤阈值均不随温度的变化而发生明显的变化，与量子方法和经典方法的数值模拟结果（损伤阈值随温度的降低而增加）都不符合。其多脉冲激光损伤阈值随脉冲次数的增加均出现先迅速降低后趋于稳定的规律，该规律以及损伤阈值均与温度无关。结果表明在该脉宽条件下，雪崩电离在导带电子密度迅速增加过程中不占主导地位。800nm@530fs激光辐照情况下，两者的损伤阈值均出现随温度的降低先增加后下降的趋势，但仍需进行进一步的实验验证。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究现状和发展态势

1.3 本论文研究的内容及结构安排

第二章 光学材料强激光损伤的物理机制

2.1 长脉冲激光损伤物理模型

2.2 短脉冲激光损伤物理模型

2.3 本章小结

第三章 纳秒激光诱导损伤与温度效应关系研究

3.1 引言

3.2 光学元件的激光损伤定义及损伤特性

3.3 纳秒长脉冲激光损伤的判定及测量方法

3.4 实验样品制备

3.5 实验设备及实验光路搭建

3.6 实验过程及结果

3.7 本章小结

第四章 飞秒激光诱导损伤与温度效应关系研究

4.1 引言

4.2 超短脉冲通过色散介质脉宽展宽

4.3 激光参数对光学材料损伤的影响

4.4 飞秒激光损伤判定及测量方法

4.5 飞秒激光损伤测量实验

4.6 实验结果

4.7 本章小结

第五章 全文总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果