高平均功率连续激光作用下光学元件表面缺陷热效应演变特性研究

In high-power laser systems, thermal effects of optical components are the main limitations on optical power and beam quality. The thermal effects induced by defects on optics surfaces feature random, diverse, and irregular, rendering the corresponding accurate characterization, deep understanding, and effective control important as well as challenging in terms of both fundamental research and practical application. Aiming at the specific NSAF project, this proposal plans to combine three all-optical non-destructive characterization techniques (photothermal, cavity ring-down, and photoluminescence) and multi-field-coupled simulation for a comprehensive investigation of optical, thermal, and elastic properties of surface defects on optical components and their evolution behavior under high-power cw-laser irradiation. The key points to be explored are 1) the resolved determination of optical, thermal, and elastic parameters from the multi-field-lumped experimental signals, 2) the nonlinearity in optical absorption and thermal conduction of optical components with respect to temperature under high-power laser irradiation and the corresponding quantitative characterization, and 3) the temporal and spatial evolution behavior of defects properties. By this study we hope to contribute to the development of the corresponding optical non-destructive testing techniques on one hand, and provide technical information for the optimization and quality control of high-power optics fabrication on the other hand.

高功率激光系统中光学元件的热效应是限制光功率和光束质量的主要因素。对于光学元件表面缺陷所引起的热效应，由于缺陷的随机性、多样性和不规则性，对相关热效应的准确表征、深入理解和有效控制既有科学和技术上的难度，又有重要的理论和实践意义。本申请针对NSAF明确目标课题，拟运用光热、光腔衰荡和光致发光光谱三种全光无损表征技术，结合多物理场耦合仿真，全面研究光学元件表面缺陷的光学、热学和应力特性在高功率激光作用下的演变过程及其对光束质量的影响，探索（1）从携带多物理场综合信息的实验信号中光吸收、热传导和应力等参数的准确分离和测量；（2）高功率激光作用下光学元件的光吸收和热传导的非线性温度效应的准确表征和建模；（3）高功率激光持续作用下光学元件表面缺陷特性的演变规律。本项目研究可推动相关光学无损检测技术的发展，也有望为高功率光学元件的加工工艺优化和缺陷控制提供技术参考。

针对高功率连续激光作用下光学元件表面缺陷热效应演化特性问题的复杂性，本项目从理论和实验两方面进一步发展了光热技术和光腔衰荡技术，并将实验结果与所建立的高温下光热非线性理论模型及仿真相结合，初步探索并揭示了不同光学元件材料、不同材料加工和镀膜工艺的表面缺陷在高功率激光作用下的光、热、力学特性及其演变规律，为相关领域的研究提供了新的实验表征手段和参考借鉴。.研究结果表明，当功率密度达到500kW/cm2量级时，散热性能好的材料（如硅）非线性效应可以忽略；而对于熔石英和YAG，吸收型缺陷所带来的非线性效应需要加以考虑。本研究所考虑的非线性机理包括光吸收非线性、6个元件物性参数非线性（热导率、密度、比热容、杨氏模量、泊松比和线性热膨胀系数）、以及边界条件非线性，并以此建立了多物理场耦合的数值模型，完成了温度及应力分布变化特征的仿真模拟与实验定量比对，验证了模型的合理性。在光学元件残余应力和热应力的表征方面，本项目中所建立的基于光腔衰荡技术的应力双折射测量方法比目前工业所用仪器的测量精度提高了一个数量级以上，具有广阔的应用前景。.此外，本项目的资助使得一些新想法、新技术、以及应用拓展得到了孵化。虽然热透镜效应是导致高功率激光系统中光束质量恶化的常见原因之一，但本项目提出可以利用热透镜效应实现大口径光学元件缺陷分布快速成像；在极高反射率光学元件的反射率精确测量方面，通过引入线性和非线性数据处理算法并消除测量环境中大颗粒灰尘的影响，经单腔长测量和多腔长测量结果比对，验证了光腔衰荡技术测量反射率的绝对测量精度达到2.5E-7，为目前国际上报道的最高测量精度。.有待继续深入开展的研究包括：一、光学元件材料种类和加工工艺种类有待进一步扩展，以验证研究结论的普适性；二、在光致荧光谱方面，虽然观测到不同加工工艺下的石英和YAG基片的三个主要荧光峰的峰值和比率存在明显差异，但尚未可靠地建立谱分布与应力双折射测量结果之间的关联性。