圖1 多物理場耦合模型示意圖

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部研究團隊在在激光燒蝕波紋的調制機理研究中取得新進展。研究揭示了激光燒蝕波紋對光學元件損傷閾值的影響。相關研究成果以“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)代光學技術的發(fā)展，熔石英元件紫外激光誘導損傷問題嚴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、無加工輔料和加工靈活的技術優(yōu)勢，有望實現(xiàn)高損傷閾值光學元件的加工。然而，在激光燒蝕過程中不可避免地會形成波紋，對光場產(chǎn)生潛在的調制效應，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、固體傳熱和結構力學的多物理場耦合模型，揭示了不同形貌下的激光燒蝕波紋在激光輻照下光、熱、力場的演化規(guī)律。結果表明，燒蝕波紋不僅會導致光強的不均勻分布，還會引發(fā)局部溫度和應力的顯著升高，從而大幅降低元件的損傷閾值和透過率。此外，燒蝕波紋的周期與高度對元件性能的調制作用至關重要，周期介于0.5微米至1微米之間且高度超過500納米的波紋會顯著惡化元件性能，因此在加工過程中應嚴格避免。本研究不僅為深入理解表面形貌對光學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。

圖2 不同形貌的燒蝕波紋下熔石英內(nèi)部光場分布

圖3 有無燒蝕波紋的熔石英內(nèi)部溫度場和應力場分布

相關工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市揚帆計劃等基金的支持。

審核編輯 黃宇