2-25 光学材料表面微缺陷引起的损伤机理及后处理

柴立群许乔

　　神光Ⅲ激光装置的光学系统由上万件大口径的光学元件组成。这样一个大型强激光系统既具有传统成像光学系统的精密像质要求，又有高功率密度运行的特点，因此对光学元件的抗损伤能力等提出了很严格的要求。

　　目前已经提出的光学材料的激光诱导损伤的主要物理机制有：电子雪崩电离、多光子吸收电离、杂质缺陷导致的局域强场吸收等。损伤机制大体上可分为场致和热损伤两类。但无论是哪一类，损伤都与材料内部的场强有关，场强越大，损伤的可能性也越大。

　　光学材料在加工过程中，不可避免地导致光学亚表面的损伤。宏观缺陷主要有裂纹、划痕、微孔、杂质颗粒等。缺陷使材料的光场发生畸变，有可能在局部区域产生光场增强。因此关于光场分布的理论计算就显得十分必要。采用时域有限差分方法(FDTD)来进行电磁场的数值模拟。

　　由麦克斯韦旋度方程得二维的离散FDTD公式

　　由于计算机容量的限制，FDTD计算只能在有限区域进行，为了能模拟开域的电磁散射过程，在计算区域的截断边界处必须给出吸收边界条件。在总场- 散射场区的分界面上也必须满足一定的条件才能将入射波只引入到总场区。其中涉及到二维Mur吸收边界条件、二维角点的处理、总场边界条件。

　　FDTD方法是以差分方程组的解来代替原来电磁场偏微分方程组的解。只有离散后差分方程组的解是收敛和稳定的，这种代替才有意义。为了满足数值稳定性，时间和空间步长都必须满足一定的条件。通常来说，时间间隔必须小于波以光速通过Yee元胞对角线长度的1/2（二维情况）所需的时间。空间间隔必须小于l /12。

　　计算光学体材料内部存在气泡或杂质时的电场分布，如下例所示：熔石英中有一圆形气泡的电磁场模拟，见图1，计算参数为：气泡半径为l/4，材料的介电常数为2.5，电导率为1´10^-12，TM波自左边入射，总场边界为- 65 : 65，吸收边界为-75 : 75，时间步等于1200。电场幅值的最大为3.57。同样的计算条件下，气泡半径为l /2，电场幅值的最大为4.32；气泡半径为l ，电场幅值的最大为3.52。

　　采用FDTD法模拟了光学材料中存在缺陷时的时谐场场强幅值及相位分布。当缺陷不在材料亚表面时，可以不考虑分界面问题，由计算结果可以看出，当均匀材料中存在介电常数大于或小于材料的介电常数的杂质时，无论其形状及大小如何，都会毫无疑问地造成局域光场增大，增大的幅度与介质参数及相对位置有关。

　　当光学材料亚表面存在杂质时问题较复杂，一方面涉及到半无限空间的离散问题，另一方面又涉及到截断问题。对于缺陷存在于亚表面的情况，还需要作进一步的分析计算。　