3。5 缺陷密度对损伤概率曲线的影响 18

3。6 缺陷尺寸对损伤概率曲线的影响 19

结论 21

致谢 22

参考文献 23

附录 判断单次随机试验是否造成材料损伤的算法 25

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1 引言

1960 年美国科学家梅曼制造出了红宝石激光器，产生了人类历史上第一束激光，将激光 引入实用阶段。与传统光源相比，激光具有单色性好、方向性好、相干性好、亮度高的优点， 这些优点使激光在科学研究与生产生活中受到极大关注，并随着科技的发展被用于科研、工 业、医疗、军事等多个领域。激光雷达利用了激光方向性好、亮度高的特点，拥有传统微波 雷达无法达到的高分辨率，能够更好实现对目标物体的监测[1]。激光焊接、激光切割利用激 光能量集中的特点，在工业生产中大大提高了生产效率。高能量的激光还能够控制核聚变反 应，被用于惯性约束核聚变装置，为缓解能源危机提供了新思路[2,3]。

1。1 发展趋势以及瓶颈

目前激光器为了应对生产需求正朝着高功率、大能量方向发展。美国、法国、德国等国 家最近已经完成或正在建造拍瓦（1015W）级激光器。这些高功率激光器可以断续发射几百焦 长脉冲，或是发射不连续的几十焦的短脉冲[4]。同时，随着调 Q、锁模、啁啾技术的发展， 超短脉冲技术受到更多关注，超短脉冲通常指的是皮秒（10-12 秒）或飞秒（10-15 秒）级脉冲， 不仅能够用于激光核聚变实验与基础物理研究，而且能在医疗、通信等环节发挥重要作用[5]。

但随着激光器能量密度的逐渐提高，光学玻璃作为激光器系统中最容易受到辐射的元件， 其在高能量密度激光辐射下产生的损伤限制了激光器系统的寿命，限制了激光器系统的发展。 自激光诞生之时，科学家们就已注意到激光损伤问题，并对其进行了持久的研究，但其本质 和作用机理直至今日仍未被完全掌握。科学家们认为，激光致光学材料损伤主要源于材料在 加工制造过程中产生的断裂、划痕、杂质等缺陷[6]。这些形状各异、尺寸不同的材料缺陷因 各种机理对光学材料造成损伤，影响激光器在高能量密度下的运作，阻碍了激光器研究的进 一步发展。

1。2 激光诱导损伤机制

在过去的几十年里，科学家们对激光致材料损伤的机理进行了许多实验和研究，对于激 光致材料损伤的认识也有了很多突破和进步。激光损伤分为本征损伤和非本征损伤。本征损 伤通常被认为是损伤的上限，是纯净、理想材料的损伤，由于其出现的条件十分苛刻，不容 易在实验中观察到；非本征损伤一般由化学、结构、机械方面的缺陷造成的，机理多样且复 杂[7]。目前较为成熟的激光损伤理论有雪崩电离理论、杂质缺陷吸收理论、多光子吸收理论、 亚表面裂纹诱导损伤理论等。

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1。2。1 雪崩电离理论

雪崩电离诱导激光损伤的过程如下：初始自由电子吸收激光能量与其它原子碰撞电离出 更多电子，而这些电离产生的电子继续吸收激光能量与原子碰撞，如此循环往复能够使自由 电子密度在短时间内快速增加，而当自由电子密度超过一定临界值时，材料对激光的吸收会 变得更为剧烈，形成等离子体。对于诱发雪崩过程的初始自由电子既可能来源于热电离产生 的自由电子，也可能由多光子电离产生，这两种情况可能单独存在也可能同时发生[8]。