高重復(fù)頻率激光脈沖光束大小對吸收玻璃損傷特征的影響*

韓敬華 馮國英 楊李茗 張秋慧 傅玉青 牛瑞華 朱啟華 謝旭東 周壽桓

1)(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610064)

2)(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900)

(2009年11月16日收到;2010年4月18日收到修改稿)

高重復(fù)頻率激光脈沖光束大小對吸收玻璃損傷特征的影響*

韓敬華1)2)馮國英1)?楊李茗2)張秋慧1)傅玉青1)牛瑞華1)朱啟華2)謝旭東2)周壽桓1)

1)(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610064)

2)(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900)

(2009年11月16日收到;2010年4月18日收到修改稿)

針對高重復(fù)頻率對吸收性濾光片損傷問題，研究了高重復(fù)頻率(kHz量級)激光脈沖的光束半徑大小對吸收玻璃的形貌特征和損傷機(jī)理.研究發(fā)現(xiàn)在總的激光作用個數(shù)、單脈沖能量和脈沖作用頻率固定時，吸收玻璃的損傷特性發(fā)生很大變化:在光束半徑較大時，激光能量分散，主要損傷形貌是熔化破壞;隨著光束半徑的減小，激光脈沖能量變得集中，熱量的累積效果變得明顯，逐漸變成熔化破壞和氣化破壞;當(dāng)激光光束半徑小到一定程度，則會由于光強(qiáng)過大使得介質(zhì)表面發(fā)生擊穿而產(chǎn)生激光等離子體沖擊波，同時由于熱量沉積的集中使光束作用中心處產(chǎn)生超熱液體，當(dāng)滿足相爆炸發(fā)生的條件時，氣化物、液滴和固體顆粒的混合物會向外飛濺，在損傷凹陷的周圍形成氣化物、液滴的冷凝區(qū)和固體顆粒濺射區(qū).

激光誘導(dǎo)損傷，高重復(fù)激光脈沖，吸收玻璃，相爆炸

PACS:81.15.Fg，61.80.Ba，68.35.Rh

1.引 言

高功率激光在探測過程中，為了避免對光學(xué)探測器的損傷，必須通過衰減片對光強(qiáng)進(jìn)行衰減.但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在高重復(fù)頻率激光作用下，衰減片極易發(fā)生損傷，這嚴(yán)重限制了衰減片的使用范圍.對于重復(fù)激光脈沖作用下光學(xué)元件的損傷的理論研究很多［1—3］，大致可以分為兩類:一類是研究單脈沖損傷與重復(fù)脈沖損傷的區(qū)別:單脈沖損傷是基于介質(zhì)的非線性電離作用，熱應(yīng)力作用等［3］，但重復(fù)脈沖損傷主要是基于介質(zhì)內(nèi)部缺陷的累積效應(yīng)［4，5］，如色心累積［6］，斷鍵累積［7］等.另一類是研究兩者之間的聯(lián)系，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩者呈指數(shù)關(guān)系［5］.以上諸多研究工作主要集中于低重復(fù)頻率激光脈沖作用于透明玻璃或晶體，而對kHz量級的高重復(fù)頻率激光脈沖作用于吸收性很強(qiáng)的光學(xué)元件的損傷問題的研究，鮮有報道，因此對該問題的研究很有必要.

本文詳細(xì)研究了不同光束大小的高重復(fù)激光脈沖作用下吸收玻璃的損傷問題，仔細(xì)觀測了其損傷形貌特征變化并根據(jù)熱量的沉積規(guī)律分析了相應(yīng)的損傷機(jī)理.

2.實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所采用的激光器是YUCOOPTICS公司生產(chǎn)，型號為F3W-15，波長為355 nm的紫外激光器，激光脈沖脈寬(FWHM)為13.6 ns，能量輸出的穩(wěn)定度小于3%.激光器采用二極管泵浦方式運(yùn)行，輸出激光頻率為千赫茲量級.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，He-Ne激光器用于光路的準(zhǔn)直，激光先通過一個分光片對輸出脈沖能量進(jìn)行監(jiān)控，后經(jīng)過鍍有紫外增透膜的石英透鏡聚焦到樣品上.能量計型號為Ophir公司的PE25型，測量信號被實(shí)時輸入計算機(jī).損傷形貌使用KEYENCE公司的VHX-600顯微鏡進(jìn)行觀察和記錄.通過前后移動玻璃與焦點(diǎn)的位置來改變光束半徑.激光脈沖光強(qiáng)的空間分布用CCD進(jìn)行測量，其光斑強(qiáng)度分布近似為橢圓型，如圖2所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 CCD測量的光強(qiáng)分布圖

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.損傷形貌隨光束半徑的變化特性

吸收性衰減片一般采用吸收玻璃作為衰減材料，為此我們選用對紫光激光吸收非常強(qiáng)烈的CB6紅色玻璃作為實(shí)驗(yàn)材料，把激光脈沖能量Q固定為42.7μJ，脈沖個數(shù)N固定為3.6×106個，脈沖作用作用頻率固定為15kHz，在不同光束半徑的情況下輻照吸收玻璃，并觀測其損傷形貌.

由圖3可見，當(dāng)光束半徑w0為110μm時，損傷面積較大，但損傷程度很小，主要是熔化破壞;當(dāng)光束半徑w0為80μm時，仍以熔化破壞為主，但損傷程度變大，熔化范圍集中;當(dāng)光束半徑w0為45μm時，出現(xiàn)環(huán)狀破壞和裂紋，環(huán)狀破壞周圍有大量的結(jié)晶微粒，是明顯的氣化物再冷卻的結(jié)果;當(dāng)光束半徑w0為20μm時，損傷形貌發(fā)生了極大的變化，損傷中心的凹陷變大，損傷特性變得非常復(fù)雜，具有三個明顯特點(diǎn):周圍明顯隆起的凹陷、劇增的材料去除量以及大量微粒的分布，這都說明發(fā)生了相爆炸［8］.因?yàn)橄啾ㄅc普通的熔化和氣化對材料的去除機(jī)理完全不同:普通的熔化和氣化是通過材料熔化流動或者氣化蒸發(fā)而除去，而相爆炸則是因?yàn)榇罅考す饽芰康倪^快沉積，形成超熱液體，超熱液體內(nèi)的形成大量的氣化核，氣化核增大到一定程度時，開始發(fā)生劇烈地沸騰(即爆炸沸騰)，大量液滴和氣態(tài)的混合物飛濺出去，冷卻后形成大量的微粒分布［9，10］.同時在高溫狀態(tài)下，介質(zhì)更容易氣化和電離，形成激光等離子體，激光等離子體吸收后續(xù)激光能量，形成高溫高壓沖擊波，對超熱液體向外沖擊，所以更容易形成周邊隆起的凹陷［8，11］.

圖3 不同激光光束半徑下玻璃的損傷形貌 (a)w0=110μm，(b)w0=80μm，(c)w0=45μm，(d)w0=20μm

3.2.光束很小時的損傷形貌

我們把圖3(d)分為凹陷部分和外圍部分進(jìn)行微觀部分觀測分析，如圖4所示.

圖4 光束半徑為20μm時吸收玻璃的損傷形貌 (a)整體結(jié)構(gòu)圖，(b)微觀形貌圖

圖4(a)是損傷形貌的整體結(jié)構(gòu)圖，凹陷四周隆起很高，根據(jù)圖像的結(jié)構(gòu)特征可以從內(nèi)向外分為破壞中心凹陷區(qū)、熔化物流動區(qū)、液滴冷凝區(qū)、氣化物再冷凝區(qū)、固體顆粒分布區(qū)，其中后兩者相互重合;圖4(b)為微觀形貌圖，可以看出凹陷上分布著密集的點(diǎn)坑，是密集的微細(xì)液滴與充分熔化的液體相碰撞的結(jié)果;凹陷向外各個部分的微細(xì)結(jié)構(gòu)，凹陷的外沿是軟化物流動再冷凝的區(qū)域，其表面非常平滑，沒有出現(xiàn)點(diǎn)坑，可能是由于隆起點(diǎn)坑的周圍阻礙了一部分液滴向該部分飛濺.液層流動的最外沿是大量的外形光滑的微細(xì)液滴，在液滴的周圍有撞擊破裂后形成的環(huán)狀波紋.形成以上形貌的原因是由于液態(tài)層向外流動時，隨著距離增加，溫度迅速降低冷卻變硬，當(dāng)液滴飛濺上面時迅速冷卻，形成大量液滴狀的凝固粒子.再向外是氣化物再冷凝區(qū)，其間分布著很多較大尺寸的外形很不規(guī)則的固體顆粒，其周圍有撞擊的點(diǎn)坑痕跡，是氣化物和顆粒的混合物在外部冷凝形成的.且隨著離激光光束中心距離的增加，固體顆粒物的尺寸明顯減小.

4.理論分析

以往對相爆炸的研究主要是基于單脈沖作用，

即要產(chǎn)生相爆炸，需要足夠高的激光脈沖功率密度，一般在 1010W/cm2左右［10，12，13］，而在實(shí)驗(yàn)中所用的激光脈沖為108W/cm2，遠(yuǎn)小于單脈沖產(chǎn)生相爆炸的閾值，但當(dāng)處于高重復(fù)頻率作用時，仍可產(chǎn)生相爆炸.下面進(jìn)行相應(yīng)的理論分析.

4.1.相爆炸發(fā)生的條件

激光照射到吸收體表面時，吸收體表面會強(qiáng)烈吸收激光能量而升溫，到達(dá)一定程度時，會發(fā)生部分熔化，液態(tài)材料對激光的反射增大，吸收系數(shù)也變得更大.吸收體表面熔化后繼續(xù)吸收后續(xù)激光能量而升溫，其中高能部分成為自由態(tài)，即產(chǎn)生氣化，氣化的最外層部分極易發(fā)生電離而產(chǎn)生激光等離子體.因此材料受激光輻照時，其狀態(tài)由內(nèi)向外可以依次分為:固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，其中氣態(tài)外層為高溫高壓等離子體區(qū)［14］，其分布情況由圖5表示.

要發(fā)生相爆炸必須有超熱液體的存在.一般要求超熱液體的溫度達(dá)到(0.8—0.9)Tcr(Tcr為臨界溫度)［15］，而且超熱液體層的厚度足夠大，大于氣泡的臨界直徑，即達(dá)到容納氣化核的臨界尺寸rc(一般為幾十個微米)，除此之外，要有足夠的時間tc使氣化核增大到臨界尺寸rc，tc大約是幾百個納秒，以上條件是缺一不可的［14，15］.當(dāng)單脈沖激光照射到介質(zhì)上時，熱量沉積能否產(chǎn)生超熱液體以及超熱液體能否滿足發(fā)生相爆炸是受很多因素的影響，其中包括脈沖能量、脈寬以及材料熱導(dǎo)率等.只有當(dāng)激光的能量大于一定值，才能保證超熱液體的形成以及達(dá)到足夠的厚度和持續(xù)足夠的時間，這樣才能產(chǎn)生足夠大和足夠多的氣泡，以產(chǎn)生相爆炸［13，16］.所以在研究固定脈寬的激光脈沖產(chǎn)生相爆炸的條件時，要求激光脈沖滿足一定的閾值條件，一般為幾個1010W/cm2，也就是說小于該閾值時，材料的去除的機(jī)理主要是正常的熔化、氣化，而當(dāng)大于該閾值時，則主要是爆炸沸騰(相爆炸)的作用，即大量液滴和蒸氣混合物的噴濺作用［17，18］.

圖5 激光輻照下材料燒蝕示意圖

但當(dāng)激光脈沖處于高重復(fù)頻率作用時，雖然每個脈沖激光的能量較單脈沖產(chǎn)生相爆炸的閾值低得多，如果滿足以上產(chǎn)生相爆炸的條件也照樣可以產(chǎn)生相爆炸.下面從重復(fù)脈沖作用下的熱量累積規(guī)律進(jìn)行分析.

4.2.理論模擬分析的基本假設(shè)條件

要準(zhǔn)確分析在高重復(fù)激光作用下材料熱量累積引起的溫度變化，就必須考慮以下影響因素:材料在吸熱、熱擴(kuò)散、液化、氣化、液化、冷卻等物態(tài)變化過程及其對熱量沉積規(guī)律的影響，尤其是激光等離子體激光能量吸收［19］;物態(tài)變化過程和材料的溫度對材料的密度、比熱、相變潛熱等的影響［10，12］;玻璃是非晶態(tài)，沒有嚴(yán)格的熔點(diǎn)等.

從激光能量的沉積過程分析，玻璃的不同物態(tài)對激光能量的吸收作用是不同的，處于液態(tài)時對激光的吸收比固態(tài)大很多［12］，而氣態(tài)表面的電離區(qū)的逆韌致吸收效應(yīng)，對激光的吸收作用也是很大的［20］.另一方面液態(tài)對激光的反射作用增大、從固-液-氣的轉(zhuǎn)化過程中消耗一定的激光能量等，這些因素則減少了對激光能量的吸收.由此可見，由于溫度變化過程涉及外界因素極多，所以要嚴(yán)格定量地計算是很困難的，

但是，我們的主要目的是研究隨著激光脈沖光束大小的變化，在玻璃上吸收的熱量累積的規(guī)律，因此可以只考慮主要物理過程的影響，忽略次要因素的影響，從原則上講是不會影響對該物理過程實(shí)質(zhì)分析的.因此我們對實(shí)際物理過程進(jìn)行合理的簡化，設(shè)定如下假設(shè):1)材料相變引起的對激光脈沖能量吸收增強(qiáng)的因素和減小的因素相抵消，溫升規(guī)律依然按照材料處于固態(tài)時的溫升規(guī)律處理;2)材料物理參數(shù)不隨著溫度的變化而變化;3)激光脈沖能量是瞬時沉積(因?yàn)榧す饽芰總鹘o介質(zhì)電子的時間為飛秒量級，電子把能量傳給晶格引起材料溫升的時間為幾個皮秒，而實(shí)驗(yàn)中脈沖間隔為幾百個微秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于皮秒，所以假設(shè)是完全合理的［21］.);4)由于材料對激光能量的吸收系數(shù)很大，大部分激光脈沖能量沉積到材料的表層，所以認(rèn)為熱量只沉積到材料的表面;5)把玻璃的熔化溫度和氣化溫度定義在一個溫度范圍.我們所用的CB6玻璃的物理參數(shù)［22，23］如下:介質(zhì)密度 ρ=2.64 g·m－3，熱擴(kuò)散系數(shù) D=3.6 × 10－3cm2.s－1，比熱 c=0.75 J·g－1·k－1，反射率 R=0.03，吸收率 α =3 cm－1，熔化溫度Tm為1000—1500 K(1大氣壓)，氣化溫度 Tv為2000—2500 K(1大氣壓)，熱力學(xué)臨界溫度 Tcr=4000 K.

4.3.熱沉積引起吸收光學(xué)元件溫升的數(shù)理方程

基于數(shù)理方程對重復(fù)激光脈沖引起的溫升情況進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到其溫升表達(dá)式［24］

其中z是垂直于玻璃表面的深度，t是重復(fù)激光脈沖作用時間，τ是脈沖間隔.

式中F為脈沖最高能量密度，可以表達(dá)為 F =

4.4.分析結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，對光斑半徑w0依次為20，45，80和110μm時，利用(1)和(2)式對吸收玻璃表面溫度進(jìn)行模擬計算，結(jié)果如圖6所示.

圖6 不同光束半徑對吸收玻璃表面溫度分布規(guī)律

由圖6可見，在單脈沖能量和總脈沖數(shù)一定時，光束半徑的變化會引起熱量沉積的變化，從而使得溫度分布也發(fā)生變化.當(dāng)光束半徑 w0為110和80 μm時，其中光束作用材料中心處的溫度分布在玻璃熔化范圍之內(nèi)，前者熱量沉積范圍大，溫度較低，后者熱量沉積較為集中，溫度較高，所以熔化程度高而集中;當(dāng)光束半徑 w0=80μm時，熱量沉積范圍變得更小，材料的中心溫度分布達(dá)到了玻璃氣化的溫度范圍，其邊緣則分布在熔化范圍，因此中心出現(xiàn)環(huán)狀破壞點(diǎn)和由于熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋，在環(huán)狀破壞的外圍是氣化物再冷卻的微粒;隨著光束半徑w0的進(jìn)一步減小，當(dāng)w0=20μm時，快速沉積的激光脈沖能量使得介質(zhì)迅速變?yōu)槌瑹嵋后w，由于此時激光能量密度變的足夠大使得介質(zhì)被擊穿，產(chǎn)生高溫高壓等離子體，使得超熱液體不能迅速沸騰，則有足夠的時間用于氣化核的產(chǎn)生和增長，從而發(fā)生爆炸性沸騰，這就是所謂相爆炸.在該過程中，氣化物、液滴和固體顆粒的混合物在沸騰性爆炸和外部激光等離子體沖擊波的作用下向外噴濺，就形成了圖4中的液滴冷凝分布區(qū)、氣化物再冷凝區(qū)和固體顆粒分布區(qū).光束作用中心的深處和凹陷邊緣的熔化物向外流動則形成熔化物流動區(qū).

由于激光脈沖光束半徑的變化使得熱量累積的范圍和集中度發(fā)生變化，這使得材料的溫度范圍發(fā)生變化，如圖7所示.

圖7 激光光束作用中心的吸收玻璃表面溫度隨脈沖光束半徑的變化規(guī)律

由圖7可見，在固定激光脈沖作用數(shù)，頻率和單脈沖能量的情況下，材料的中心溫度隨著激光脈沖光束半徑的增大而迅速減小并逐漸趨于平衡.不同的溫度分布所對應(yīng)的材料損傷機(jī)理也不同，分布在發(fā)生相爆炸的溫度范圍時，材料就會產(chǎn)生沸騰性爆炸，對材料的破壞程度很大;隨著光束半徑的增加逐漸過渡到氣化溫度范圍內(nèi)，此時的損傷機(jī)理主要是基于材料的氣化和熔化破壞;當(dāng)光束半徑進(jìn)一步增大，則主要分布熔化范圍內(nèi)，此時只有對應(yīng)于大范圍的熔化破壞;當(dāng)光束半徑足夠大時，溫度升高得很小，低于材料的熔化溫度，材料不會產(chǎn)生損傷.因此可見光束的大小直接決定了熱量累積的規(guī)律，也直接影響了相應(yīng)的損傷機(jī)理和特征.另外，還可以通過擴(kuò)大光束的方法來分散激光脈沖能量，減小熱量的累積集中度，從而可以最大限度地避免光學(xué)元件發(fā)生相爆炸、氣化和熔化等熱損傷.

5.結(jié) 論

對吸收光學(xué)玻璃在不同光束大小的高重復(fù)激光脈沖作用下的損傷問題展開研究，發(fā)現(xiàn)熱量沉積引起的材料溫度變化使得材料處于不同物質(zhì)狀態(tài)，物態(tài)變化決定了材料的損傷機(jī)理和特征.熱量的累積規(guī)律與激光脈沖的光束半徑大小有直接的關(guān)系:當(dāng)光束半徑很大時，材料吸收的熱量分散在很大面積上，使得溫度累積不明顯，這樣可以避免材料的損傷;隨著光束半徑的減小，熱量累積效果越來越明顯，使得激光作用中心材料的溫度逐漸升高，進(jìn)入材料的熔化、氣化的溫度范圍，這樣對材料的破壞特性是明顯的熔化和氣化破壞;當(dāng)光束進(jìn)一步減小，熱量累積效果會劇增，激光作用中心溫度達(dá)到了超熱液體的溫度，這樣就會產(chǎn)生爆炸性沸騰，液滴、固體小顆粒以及氣態(tài)物向外飛濺，形成形貌復(fù)雜，破壞程度大的損傷形貌，這就是所謂的相爆炸.可以通過增大光束半徑的方法來避免相爆炸、氣化和熔化等熱損傷的發(fā)生.

感謝成都精密光學(xué)工程研究中心的李亞國先生，爍光特晶科技有限公司的師瑞澤先生、張 杰、龐珍麗女士的有益討論.

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PACS:81.15.Fg，61.80.Ba，68.35.Rh

Influence of the high-repetition-pulsed laser beam size on the damage characteristics of absorbing glass*

Han Jing-Hua1)2)Feng Guo-Ying1)?Yang Li-Ming2)Zhang Qiu-Hui1)Fu Yu-Qing1)Niu Rui-Hua1)Zhu Qi-Hua2)Xie Xu-Dong2)Zhou Shou-Huan1)
1)(College of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610064，China)
2)(Research Center of Laser Fusion，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)
(Received 16 November 2009;revised manuscript received 18 April 2010)

The influence of the beam size of pulsed laser on damagemorphology of absorbing glass，as well as themechanism of the damage produced by high-repetition-pulsed laser(kHz magnitude)，is investigated.We show that the damage morphology changes greatly with the decrease of the beam size under the condition that the energy of each individual pulse，the number of the pulses incident on the glass and the repetition frequency are kept invariant.The damage is induced by melting of the glassmaterial due to dispersed energy of the incident laser with large beam size.With decreased beam size of laser，thematerialwill break resulting from themelting and evaporating of glass induced by the densing and increasingly deposited laser energy in glass material.When the beam size is further reduced，too intensive laser will penetrate the dielectric material on the surface of glass.As a result，the laser induced p lasma shock wave occurs.In addition，the super-heated liquid at the center where the laser beam interacts with glass will be produced as a consequence of the tremendous deposited laser energy.When the threshold of phase explosion is reached，the mixture of the evaporated，melted and original solid materials will blast outwards.Consequently，characteristic morphology made up of three regions covered with solid granules of original glassmaterial and the re-crystallized material of the evaporated and melted glasswill form around the damage crater.

laser induced damage，high-repetition-pulsed laser，absorbing glass，phase explosion

*國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:60890203)、國家自然學(xué)基金委員會－中國工程物理研究院聯(lián)合基金(批準(zhǔn)號:10676023)和四川大學(xué)青年教師科研啟動基金(批準(zhǔn)號:2009SCU11008)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:guoying_feng@yahoo.com.cn

*Project spported by the Major Program of the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60890203)，the Joint Fund of the National Natural Science Foundation of China and China Academy of Engineering Physics(Grant No.10676023)and the Research fund for the Young Teachers of Sichuan University，China(Grant No.2009SCU11008).

?Corresponding author.E-mail:guoying_feng@yahoo.com.cn