圖1 多物理場(chǎng)耦合模型示意圖

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光元件技術(shù)與工程部研究團(tuán)隊(duì)在在激光燒蝕波紋的調(diào)制機(jī)理研究中取得新進(jìn)展。研究揭示了激光燒蝕波紋對(duì)光學(xué)元件損傷閾值的影響。相關(guān)研究成果以“Numerical simulation and experimental validation of light modulation by laser-ablated ripples on fused silica surfaces”為題發(fā)表于Optics Express。

伴隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熔石英元件紫外激光誘導(dǎo)損傷問(wèn)題嚴(yán)重制約了高功率激光系統(tǒng)的發(fā)展。目前，激光燒蝕由于具有非接觸、無(wú)加工輔料和加工靈活的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)現(xiàn)高損傷閾值光學(xué)元件的加工。然而，在激光燒蝕過(guò)程中不可避免地會(huì)形成波紋，對(duì)光場(chǎng)產(chǎn)生潛在的調(diào)制效應(yīng)，從而降低元件的性能和壽命。

為此，研究人員建立了考慮電磁場(chǎng)、固體傳熱和結(jié)構(gòu)力學(xué)的多物理場(chǎng)耦合模型，揭示了不同形貌下的激光燒蝕波紋在激光輻照下光、熱、力場(chǎng)的演化規(guī)律。結(jié)果表明，燒蝕波紋不僅會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)的不均勻分布，還會(huì)引發(fā)局部溫度和應(yīng)力的顯著升高，從而大幅降低元件的損傷閾值和透過(guò)率。此外，燒蝕波紋的周期與高度對(duì)元件性能的調(diào)制作用至關(guān)重要，周期介于0.5微米至1微米之間且高度超過(guò)500納米的波紋會(huì)顯著惡化元件性能，因此在加工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格避免。本研究不僅為深入理解表面形貌對(duì)光學(xué)元件性能的影響提供了理論依據(jù)，更為高損傷閾值熔石英元件的制造提供了有效指導(dǎo)。

圖2 不同形貌的燒蝕波紋下熔石英內(nèi)部光場(chǎng)分布

圖3 有無(wú)燒蝕波紋的熔石英內(nèi)部溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布

相關(guān)工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃等基金的支持。

審核編輯 黃宇