熔石英亚表面缺陷附近光强分布的数值模拟.pdfVIP

第20卷第2期 强 激 光 与 粒 子 束 V01．20，No．2 LASERANDPARTICLE 2008年2月 HIGHPOWER BEAMS Feb．，2008 文章编号： 1001—4322(2008)02—0319．04 熔石英亚表面缺陷附近光强分布的数值模拟’ 田东斌1’2”， 袁晓东1， 祖小涛2， 王毕艺1’2， 徐世珍2， 郭袁俊2， 蒋晓东1， 李绪平1， 郑万国1 (I．中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900l 2．电子科技大学物理电子学院，成都610054，3．兰州城市学院物理系，兰州730070) 摘要：熔石英亚表面缺陷对光场的调制是导致激光辐照场破坏的主要因素。采用有限元方法对熔石 英亚表面缺陷(平面和锥形划痕)周围的光强分布进行了数值模拟。结果表明：划痕形状、几何尺寸、方位角、光 的入射角等是影响划痕周围光强分布的主要因素；前表面划痕对光强的增强效果比后表面弱；在理想形状的划 痕截面和表面同时发生内全反射时，平面划痕周围的光强增强效果明显。锥形划痕周围的光强分布为正确解 释交叉划痕的夹角平分线附近的损伤提供了理论依据。 关键词：7亚表面微缺陷；光强增强因子；激光损伤；数值模拟 中图分类号：TN012 文献标识码：A 大型光学系统一般具有高功率密度运行的特点，对光学元件的抗激光损伤能力有严格的要求。熔石英广 泛用于系统的透镜和窗口元件，在三倍频时的损伤是特别关注的问题[1]，影响激光损伤的主要因素是基体中包 含的杂质和亚表面的缺陷，虽然随着加工技术和熔石英纯度的不断提高，杂质诱导损伤的几率越来越小[2]，但 是亚表面缺陷诱导损伤仍然是提高熔石英抗激光损伤的核心问题和提高系统功率密度的主要技术屏障。在 用静电场理论模拟球形气泡、圆柱形凹槽和微裂纹附近的场增强，指出各自的场增强因子分别为1．5，1．9和 缺陷的电场分布[“]，得出划痕宽度和深度为2A(A=355rim)时对光场的调制最强。本文采用有限元方法模拟 对光强分布影响较大[7。8]的后表面径向划痕和赫兹圆锥形划痕附近的光强分布，以及光强增强因子与划痕几何 尺寸的关系，给出划痕几何结构、形貌与介质内部场强增强的对应关系，对熔石英表面划痕尺寸的安全判断提 供一定的参考依据。 1熔石英的损伤机制 熔石英的损伤分为本征损伤和缺陷损伤，通常认为本征损伤阈值是缺陷损伤阈值的上限[2]。缺陷损伤主 要包括体缺陷和面缺陷，一般情况下，熔石英纯度较高，体缺陷的数量很少，但如果体内含有其它球形纳米颗粒 或气泡，其作用相当于一发散透镜(起n。，no为熔石英的折射率)，杂质边缘出现的场增强区相当于一聚焦透 镜(，l，lo)，导致非常高的轴向强度，根据MIE散射理论，球形散射体的折射率越大，聚焦面的光强越强，介质 的破坏几率就越大凹]。表面缺陷损伤主要是表面和亚表面缺陷对电场的调制造成的场破坏和杂质吸收激光能 量引起的热破坏[1…，总体表现为表面粗糙度越大，激光诱导损伤阈值(LIDT)越低，所以，光学元件经各种预处 导致后表面破坏的主要因素，划痕对电场的调制主要是前表面裂缝对光的衍射和后表面裂缝截面处的反射光、 透射光和入射光相互干涉形成的场增强，而场增强区无论材料或杂质都容易被电离形成高能离子区，大量的激 光能量会被吸收，局部温度急剧升高而产生光声、光热效应以及电子雪崩电离等现象破坏材料的结构[1引。划 的热破坏[1引。由于划痕影响，表面机械性能弱化，熔石英抗激光损伤的能力减弱。 -收稿日期：2007-06—19，修订日期：2007．10一30 基金项目：国家高技术发展计划项目；教育部新世纪优秀人才支持计划资助i果题(NCET一04—0899) 作者简介：田东斌(1977一)，男，硕士研究生．主要从事光学元件表面的激光损伤研究tiandongbin(园yahoo．com．cn． 万方数据 320 强 激 光 与 粒 子 束 第20卷 2抛光熔石英表面划痕的形貌 在切割、研磨、抛光等加工