北京
图1 多物理场耦合模型示意图
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部研究团队在在激光烧蚀波纹的调制机理研究中取得新进展。研究揭示了激光烧蚀波纹对光学元件损伤阈值的影响。相关研究成果以“Numerical simulation and experimental validation of light modulation by laser-ablated ripples on fused silica surfaces”为题发表于Optics Express。
伴随着现代光学技术的发展，熔石英元件紫外激光诱导损伤问题严重制约了高功率激光系统的发展。目前，激光烧蚀由于具有非接触、无加工辅料和加工灵活的技术优势，有望实现高损伤阈值光学元件的加工。然而，在激光烧蚀过程中不可避免地会形成波纹，对光场产生潜在的调制效应，从而降低元件的性能和寿命。
为此，研究人员建立了考虑电磁场、固体传热和结构力学的多物理场耦合模型，揭示了不同形貌下的激光烧蚀波纹在激光辐照下光、热、力场的演化规律。结果表明，烧蚀波纹不仅会导致光强的不均匀分布，还会引发局部温度和应力的显著升高，从而大幅降低元件的损伤阈值和透过率。此外，烧蚀波纹的周期与高度对元件性能的调制作用至关重要，周期介于0.5微米至1微米之间且高度超过500纳米的波纹会显著恶化元件性能，因此在加工过程中应严格避免。本研究不仅为深入理解表面形貌对光学元件性能的影响提供了理论依据，更为高损伤阈值熔石英元件的制造提供了有效指导。
图2 不同形貌的烧蚀波纹下熔石英内部光场分布
图3 有无烧蚀波纹的熔石英内部温度场和应力场分布
相关工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市扬帆计划等基金的支持。
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