Отслеживание и понимание событий лазерного повреждения в оптике — часть 01

В 1962 году американский ученый МакКланг Ф.Дж. впервые сообщил, что серебряное зеркало резонатора рубинового лазера имело прожигание отверстия, что стало первым публичным сообщением о лазерном повреждении оптических компонентов. Последующее изобретение технологии модуляции добротности и технологии синхронизации мод увеличило пиковую мощность лазерных импульсов на несколько порядков. Проблема лазерного повреждения пронизывает и затрагивает конструкцию и работу лазеров, способствует развитию оптических материалов и технологий изготовления оптических компонентов. В 1960-х годах инженерная конструкция лазерного термоядерного синтеза с инерционным удержанием, предложенная США, стала отправной точкой для систематических исследований лазерного повреждения оптических материалов как дисциплины. С 1969 года Общество инженеров фотооптического приборостроения (SPIE) учредило ежегодную конференцию по лазерному повреждению оптических материалов, которая является важной площадкой для ученых со всего мира для обмена научными достижениями в этой области. . Он проводится каждый год Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) США, и на сегодняшний день проведено более 50 сессий. Эти исследования успешно решили  различные проблемы повреждения лазером, с которыми столкнулись процесс строительства серии больших лазерных устройств от Shiva, Nova, Beamlet до NIF.

Лазерное повреждение   окна DKDP Pockels Cell-WISOPTIC

Основной проблемой лазерного повреждения является механизм поглощения оптических компонентов, то есть каким образом и по каким каналам лазерная энергия передается оптическим компонентам. Только когда энергия передается между лазером и компонентами, может произойти лазерное повреждение. Процесс лазерного поглощения оптических компонентов сложен и тесно связан со свойствами материала и параметрами лазера. Существуют в основном два механизма поглощения: тепловое поглощение и нелинейное поглощение. Длительность лазерных импульсов является основным фактором, определяющим механизм поглощения. Что касается поглощения тепла, то в 1970 году модель повреждений, вызванных дефектами, предложенная Хоппером Р.В. и Ульманом Д. Р. объясняла, что различные дефекты, возникающие в процессе производства в прозрачных материалах, являются источником лазерного повреждения, вызванного поглощением тепла. Контроль дефектов стал ключевым фактором улучшения характеристик защиты от лазерного повреждения оптических компонентов, что закладывает теоретическую основу для механизма поглощения тепла. Модель повреждений, вызванных примесями, позволяет оценить порог лазерного разрушения материалов, а механизм теплового взрыва плазмы, вызванный примесными дефектами, в значительной степени определяет размер повреждений, вызванных тепловым поглощением. В 2010 году Карр и соавт. предложил модель волнового фронта поглощения, чтобы объяснить взаимосвязь между размером повреждения, вызванного примесью, и параметрами лазера. С точки зрения механизма нелинейного поглощения модель многофотонной ионизации, предложенная Н. Блумбергеном, и теория лавинной ионизации, предложенная А.С. Епифановым, объясняют, что, когда длительность лазерного импульса достаточно мала для завершения передачи лазерной энергии в материальную систему посредством теплового поглощения, основной физический процесс ионизации электронов фотонами для металлизации  прозрачных материалов стал теоретической основой для ультракоротких импульсных лазерных повреждений оптических материалов. Фотоионизация включает многофотонную ионизацию и туннельную ионизацию. Теория Келдыша наиболее широко используется в теоретическом моделировании фотоионизации, потому что она может рассчитать скорость поглощения всех порядков мультифотонов. Его аналитическое решение позволяет легко рассчитать многофотонную ионизацию, а численное решение является более точным при расчете туннельной ионизации. Свободные электроны, образующиеся в результате фотоионизации, продолжают поглощать лазерную энергию по механизму обратного тормозного излучения и сталкиваются с другими ионами. Поэтому принято считать, что комбинация теории фотоионизации Келдыша и модели столкновительной ионизации Друде может более точно предсказать порог разрушения материалов.