基于综合光谱法的污染物颗粒诱导光学元件损伤研究.pdfVIP

第43卷，第4期光谱学与光谱分析Vol43,No.4,pp1234-1241

2023年4月SpectroscopyandSpectralAnalysisApril,2023

基于综合光谱法的污染物颗粒诱导光学元件损伤研究

丁坤艳，何长涛²，刘志刚2*，肖婧，冯国英，周凯南，谢

寸娜3，韩敬华1

1.四川大学电子信息学院，四川成都610065

2.四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳621000

3.中国工程物理研究院等离子体物理重点实验室，四川绵阳621999

摘要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Al2O：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，Al2O：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2800K高于自身的熔点

（2313K），同样，基底的温度（2500K）也高于自身的熔点（1673K），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。

关键词激光损伤机理；激光诱导击穿光谱；能量色散光谱分析法；氧化铝颗粒

中图分类号：TN249文献标识码：AD0l:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)04-1234-08

微观形貌观测、热力动态过程监测与分析以及建立各种损伤

引言模型等。如2017年YouL61通过光学显微镜、扫描电子显微镜

和元素分析研究损伤机制，得到AS2S3玻璃由于其更宽的带

随着高功率激光装置的快速发展，对装置的高效性和负隙而表现出比As2Se:玻璃更好的抗激光损伤能力。2018年

载能力提出了更加严苛的需求11。常规光学器件多采用透明余霞门通过建立热分析模型，研究了不同辐照时间和不同功

光学元件，属于脆性材料，主要用于对激光光束的反射、透率下污染物对光学薄膜元件的损伤规律。2021年苏俊宏[81通

射或聚焦等，实现对光路的调整，然而其损伤问题严重限制过建立光学薄膜元件的三维损伤形貌，并以真实的损伤形貌

了高功率激光系统的发展[2]。在光学器件加工的过程中，难作为参考，对光学薄膜元件的损伤机制进行分析。已有研究

免会在元件表面引入污染物等杂质[3]，会降低元件的抗损伤成果和方法对激光诱导损伤的研究提供了一定的价值参考，

能力[-5