4-74  短脉冲激光辐照下金属镜面波纹损伤机理研究

王伟平

用脉冲Nd : YAG 激光（波长1.06 mm、半高宽10 ns）辐照了多种金属膜层镜面，用光学与原子力显微镜观察到某些样品损伤区或周围有规律的波纹图案，波纹周期从几微米到几十微米。通过分析实验结果，这里提出了波纹产生的光学模型，认为光路系统中某些元件的衍射或者强光与元件表面相互作用过程中产生的干涉可能会导致元件表面波纹状损伤图案。通过理论计算，初步解释了实验中波纹的周期和其他现象。

由图1可见，在小孔光阑限制下，铜膜镜面上出现了周期性环状图案，越靠近光斑内部，环的密度越大，周期越小，平均周期约45 µm。增加辐照激光的能量密度，波纹中的损伤带增宽，未损伤区变窄，直至膜层完全损伤，波纹消失。这是由于镜面前的小孔光阑对激光产生了菲涅尔衍射，使得在样品表面光强分布变成周期性环形分布。在极短的作用时间内，损伤图案依赖于光强分布。对于平均光强或能量密度未达到样品破坏阈值的光束，经衍射后，一些环带上的能量密度达到了样品的激光破坏阈值，则这些环带瞬间被破坏，样品上就形成了环形波纹状损伤图案。

排除了光路衍射的影响后，在一些样品的激光损伤边缘区，仍出现波纹状损伤形貌。用放大倍数较小的光学显微镜可看到波纹并非直线分布，用高倍显微镜观察，局部则近似为直线分布，如图2所示。大多数情况下，有多套波纹同时存在，在镜面形成花纹，或者其中有一两套波纹占优势。样品表面本身存在的微米级杂质颗粒或者初始激光在表面有缺陷的点产生小鼓包微变形，这将使激光反射（散射）在未发生变形的区域，与直接辐照在该区域的激光束产生干涉。还设计了模拟实验，用原子力显微镜观察到了损伤波纹，波纹周期与理论计算一致。