光学玻璃表面裂纹对光场的增强作用研究 (2)
1.1 激光诱导光学玻璃的损伤
1.1.1 损伤的定义 从本质上来讲，激光与材料的相互作用就是光子与电子的相互作用。按诱发损伤产生的原因可把激光损伤分为本征损伤和缺陷损伤。对于熔融石英、K9 玻璃等光学材料，禁带宽度远高于三倍频光子的能量，发生本征破坏的几率很小，损伤主要是缺陷诱导产生，其损伤机制以热力学效应和电场效应为主，损伤的形成可分为热爆炸和火球的膨胀与损伤坑的形成两个步骤[5,6]。广义上，光学元件的激光损伤是指由于激光的作用使元件光学性能或者结构发生的可观察到的变化。国际标准规定将采用 100倍或 150 倍的 Nomarski 相衬显微镜所能观测得到的由激光导致的任何永久性的变化定义为损伤。根据激光功率密度和能量密度的不同，激光损伤可分为功率损伤和能量损伤两种。前者指高功率短脉冲的激光电场效应引起的损伤，多以炸裂损伤为主；后者指长脉冲和连续激光的高能量引起的热效应损伤，多以热熔损伤和烧蚀破坏为主。根据材料损伤部位的不同，一般可将损伤归结为体损伤和面损伤。
1.1.2 体损伤和面损伤 光学玻璃的体损伤多以炸裂为主，主要有三个方面的原因。一是体内含有的高折射率杂质（相对于基体）使激光经过杂质后在杂质后面聚焦，焦点处的功率密度很高，引起强烈的非线性吸收，导致多光子电离，形成等离子体，等离子体快速膨胀和材料局部升温在辐照焦点处引起极大的热应力，当热应力超过材料的断裂强度时，便产生炸裂破坏。二是材料中含有的高吸收性杂质，如光学玻璃往往含有制备容器材料金属Pt 杂质，这些杂质对激光的吸收比材料的本征吸收高出几个数量级 。激光辐照在含有杂质的光学元件上，一方面由于光学元件的吸收很小，引起的温度变化不大，另一方面杂质对激光能量的强烈吸收，造成杂质处局部高温，形成的温度梯度将在材料中产生热应力。如果杂质温度达到沸点，将汽化变成蒸汽从而对周围基体材料产生很大的蒸汽压，引起材料体内附加应力分布。当基体中的应力超过材料的抗拉或抗压强度时，就会使材料拉裂或压碎，形成炸裂破坏。此外，当激光功率密度较高时，也会出现由激光束自聚焦效应引起的细丝形炸裂破坏。 表面损伤形貌多表现为熔融炸裂。表面、亚表面可诱发损伤的因素很多，主要有：一、材料表面包含的杂质微粒和表面断裂过程中形成的吸收中心；二是抛光过程中在表面和亚表面形成的裂纹和微裂纹，以及包含其中的抛光磨料残留物；三是元件暴露在空气中易吸附杂质、水蒸气等污染物。杂质和吸收中心对激光吸收强，导致局部温升很高；表面裂纹和微裂纹对光场的调制作用显著，导致局部光场强度放大，同一光学元件的光出射面与入射面损伤也存在不同。对于熔石英玻璃，光的出射表面的损伤几率远大于前表面，甘荣兵[8]认为其原因是：激光在入射面形成的等离子体保护层，阻止了后续激光能量在前表面的沉积；而后表面因激光和亚表面层等离子体相互作用产生很强的震动波，产生的冲击波和反冲击波对表面造成严重的破坏。 材料的表面损伤阈值一般都低于其体损伤阈值，最大可相差一个数量级左右。随着加工工艺不断改进文献综述，光学元件的纯度已相当高，体内基本上可以做到不含有杂质和缺陷，发生体损伤的几率已很小。目前光学元件的损伤以表面损伤为主，因此表面损伤是研究的重点[9]。
1.1.3 亚表面缺陷损伤机制 亚表面缺陷诱导熔石英的损伤与激光参数和材料性质有关，涉及到光热、光声、光电作用，非线性效应和等离子体作用等复杂因素，因此至今也未能完整地解释激光诱导亚表面损伤的本质。国内科研工作者对大量实验和理论结果进行了分析，将亚表面缺陷诱导激光损伤机理归结为以下三个方面[10]： (1)缺陷中包含了大量吸收性杂质引起的热破环，如抛光粉颗粒 CeO2、ZrO2 ，加工机械工件中的 Fe、Cu 和 Cr，以及清洗过程引入的 Al 离子。这些杂质强烈吸收激光能量，产生光热效应，造成区域温度急剧升高，当局部温升导致的热应力超过材料的临界强度时，便发生热熔、炸裂等现象。
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