1  绪论

1.1 研究背景及意义

激光对材料破坏机理和破坏阈值的理论与实验研究一直受到人们的高度重视。K9玻璃作为一种性能优异的光学材料，它在可见光、近红外波段具有高透过率，广泛用作光学仪器的窗口、光学薄膜、棱镜、反射镜以及滤光片的基体[1]。K9玻璃还是高功率激光薄膜的常用基片，而光学薄膜的基体材料对薄膜的激光损伤阈值有极大的影响。介质薄膜元件在激光技术领域有着广泛的应用，特别是随着高能激光技术的发展，介质薄膜元件起着至关重要的作用。但是介质薄膜元件的抗激光损伤能力有限，在强激光作用下，可以在短时间内遭到破坏，从而致使激光器件无法正常工作。激光系统要求在长时间的范围内稳定地工作，且系统的性能不产生明显的降低，这就对介质薄膜元件提出了更高的要求。所以介质薄膜元件的激光损伤一直是限制激光向高能量、高功率方向发展的“瓶颈”，同时也是影响整个激光系统使用寿命的决定性因素之一[2、3]，提高其抗激光损伤能力是强激光系统中要解决的最重要的问题之一。正因为介质薄膜元件在激光技术特别是强激光系统的重要地位和其本身的特点，在激光器问世不久，其激光破坏问题被作为重要课题被提出来进行研究。因此，研究介质薄膜元件激光损伤的物理规律，不断提高其抗激光强度，对改进激光系统并扩展其在科研及生产中的应用，具有非常重要的应用意义。而K9玻璃作为介质薄膜元件的常用基体材料，其抗激光损伤特性也同时成为研究的重点之一。不同的基体材料具有不同的结构、膨胀系数、应力和热传导特性，一定程度决定薄膜元件的品质特性，特别是抗激光损伤特性。文献综述

K9光学玻璃作为高功率激光器重要的光学元件，其性能的好坏直接关系到激光器功率输出的大小和光束质量。作为各种光学镀膜元件的常用基底，其抗激光损伤的特性和能力直接影响高功率激光器的性能，特别是对光学薄膜。要提高其抗激光损伤能力，首先要找到其激光损伤原因、机理、特点和规律。国内外研究者在大量的实验和理论计算的基础上形成了几种主要的损伤机理，主要包括本征吸收和热应力损伤，自聚焦效应，雪崩电离和多光子吸收，杂质缺陷和非线性吸收等。除此之外，还有多种机制共同作用造成的损伤。同时也得到了不同脉宽、波长的激光对K9玻璃造成的损伤形貌特征以及损伤规律。国内外关于短脉冲激光对光学材料破坏特征的研究报导较多，而毫秒量级长脉冲激光对材料破坏的研究相对较少。在短脉冲激光辐照下，材料的损伤以等离子体损伤为主；在毫秒量级长脉冲激光辐射下，材料的损伤以热应力破坏为主。长脉冲激光对靶材的损伤主要是熔融和汽化热效应破坏，长脉冲激光在与物质作用时不发生电离击穿，不产生自聚焦效应，不容易产生等离子体，激光的能量能够直接作用于靶材，中间不需要转化过程，能量的利用率大大提高，对靶材的破坏将更加有效。由于长脉冲激光的能量作用的时间在毫秒量级，单脉冲能量大，存在一个热传导的过程，其损伤面积比短脉冲而言更大，破坏力更强。研究长脉冲和短脉冲激光对K9玻璃的作用，可以促进长、短脉冲激光技术的发展，拓宽长、短脉冲激光的应用领域。

1.2 激光的发展与应用

1.2.1 激光的发展

1960年5月16日，梅曼在加利福尼亚州的惠根斯实验室发明第一台红宝石激光器，从那以后激光技术得到了高速发展。激光以其卓越的表现在医学、工业、军事等多个领域得到了广泛的应用。随着激光技术的不断发展，各种各样的激光器层出不穷。对于脉冲激光而言，一种划分为三类：（1）脉宽为fs/ps量级的超短脉冲激光；（2）脉宽为ns量级的短脉冲激光；（3）脉宽为ms量级的长脉冲激光。研究这三种典型脉宽激光对光学薄膜元件的损伤均具有重要意义，这些研究能为合理地使用不同激光光源提供理论基础和实验依据，也可以进一步开拓激光的应用前景。另一种划分方式为：ns量级及以下的高功率激光，以及ns量级以上的高能激光。其中短脉冲激光在医疗、精密制造和激光推进等行业都有大量的应用；而高能激光在可控核聚变、模拟爆炸、激光加工以及激光武器等领域有广泛的运用。脉宽的不同导致其对靶材的损伤机理有可能存在比较大的差异。本文将以ns和ms量级脉宽激光为典型代表，研究这两种脉宽激光辐照K9玻璃造成的不同损伤机理。