[发明专利]一种紫外光学元件激光损伤过程中材料喷溅角度的预测方法

说明书

本发明提供一种紫外光学元件激光损伤过程中材料喷溅角度的预测方法，属于工程光学技术领域。为解决现有技术采用实验方式对紫外光学元件激光损伤过程中材料喷溅角度进行预测，由于检测装置性能的限制无法精确获得损伤初期等离子体喷溅行为；且对于特定表面微纳缺陷无法重复进行损伤性实验，无法有效预测其激光损伤过程中材料喷溅角度的问题。通过对激光损伤过程中材料喷溅的形成机理进行分析，采用等密度的离子点群模拟紫外光学元件加工表面微纳缺陷区，基于麦克斯韦、牛顿‑洛伦兹物理方程研究高功率激光辐照下缺陷区等离子体演变过程并获得激光损伤过程中材料喷溅角度。通过本发明方法可准确获得紫外光学元件激光损伤过程中材料喷溅角度。

技术领域

本发明涉及工程光学技术领域，具体而言，涉及一种紫外光学元件激光损伤过程中材料喷溅角度的预测方法。

背景技术

高功率激光系统已广泛应用于太空卫星通讯、国防激光武器、惯性约束核聚变装置及极紫外光刻等众多关系国计民生的重要领域。然而，长期以来紫外光学元件在服役过程中的高功率激光辐照下诱发的激光损伤问题一直是其在高功率激光装置中推广应用的瓶颈难题。由于紫外光学元件的脆性特性，在其加工过程中由于机械力的作用会不可避免地在元件加工表面引入凹坑、划痕和裂纹等表面微纳缺陷(尺度范围为数百纳米到百微米)。这些表面微纳缺陷会增强紫外光学元件对入射激光的吸收进而降低其加工表面的抗激光损伤能力。高功率激光辐照下表面微纳缺陷诱导激光损伤的物理机制十分复杂。目前，国内外普遍认为，高功率激光辐照下光学表面的激光损伤过程可大致分为激光损伤初期和激光损伤后期两个阶段。在激光损伤初期(数百飞秒到数十皮秒范围内)，光学表面主要发生大量基态电子的电离并生成大量高温等离子体。高温等离子体可急剧吸收入射激光能量，使光学表面沉积大量能量。在激光损伤后期，光学表面将释放沉积的能量并发生明显的损伤行为。其中激光损伤初期的等离子体喷溅行为可于极短时间内在光学表面诱发材料熔融、气化等损伤行为，其决定了紫外光学元件加工表面微纳缺陷的激光损伤最终宏观形貌特征。因此，定量研究光学表面激光损伤过程中等离子体喷溅角度对高功率激光辐照下紫外光学元件激光损伤机制探究及损伤程度评估具有非常重要的意义。

目前，基于泵浦-探测超快时间分辨阴影成像技术，通过进行重复、大量的损伤性(需破坏待检测光学表面)实验获得不同延时下的等离子体喷溅角度。但由于当前探测装置空间分辨率仍较低(分辨率为数百纳米到数微米范围)，无法精确识别亚原子尺度的等离子体颗粒运动轨迹及分布情况，而且等离子体喷溅行为常出现于百飞秒时间范围内，而当前的泵浦-探测超快时间分辨阴影成像技术尚无法在百飞秒延时下精确地获得等离子体喷溅角度。同时，对于某一特定表面微纳缺陷(不可复制、具有唯一性)而言，无法对其进行重复的损伤性实验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

现有技术采用实验的方式对紫外光学元件激光损伤过程中材料喷溅角度进行预测，由于检测装置性能的限制无法精确地获得损伤初期等离子体喷溅行为；且对于特定表面微纳缺陷无法重复进行损伤性实验，无法有效预测其激光损伤过程中材料喷溅角度。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

本发明提供了一种紫外光学元件激光损伤过程中材料喷溅角度的预测方法，包括如下步骤：

步骤一、确定高功率激光辐照条件下紫外光学元件加工表面微纳缺陷区易于电离的基态电子类型；

步骤二、根据紫外光学元件的晶格结构计算加工表面微纳缺陷区易于电离的基态电子密度；

步骤三、通过设置等密度的离子点群以建立高功率激光辐照下紫外光学元件加工表面微纳缺陷区模型；每个离子点包含两个等电荷量的正、负离子；当原子未发生电离时，正离子代表原子核，负离子代表核外电子；当原子发生电离时，正离子代表阳离子，而负离子代表电离产生的多个自由电子；

根据精度需求确定模型中离子点的电量比，根据电量比及步骤二得到易于电离的基态电子密度，确定模型中的正、负离子密度及正、负离子电荷量；