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亚太医学

亚太医学

Journal of Medicine in the Asia-Pacific

  • 主办单位: 
    未來中國國際出版集團有限公司
  • ISSN: 
    3079-3483（P）
  • ISSN: 
    3080-0870（O）
  • 期刊分类: 
    医药卫生
  • 出版周期: 
    月刊
  • 投稿量: 
    1
  • 浏览量: 
    276

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多波长激光辐照下污染物对熔石英的光场调制

Optical Field Modulation in Fused Silica Induced by Multi-Laser Irradiation of Micro-Nano Contaminants

发布时间：2026-05-21
作者: 李旭 :西南科技大学 四川绵阳;
摘要: 微纳污染物引发的激光诱导损伤是高功率激光系统中熔石英光学元件的核心问题。本研究基于时域有限差分法建模仿真，探究355nm、1064nm波长激光辐照下，此类污染物对熔石英的光场调制规律与损伤演化特征。研究发现，双波长激光的光场峰值强度较单波长提升2~4 倍，光学表面增强效应显著；金属类污染物光场增强效应较金属氧化物高20%~400%，污染物类型与空间排布对光场调制和损伤风险影响显著。双波长辐照下污染物颗粒存在350nm临界间距，主导集体损伤行为；光斑中心有颗粒的排布光强为无颗粒排布的2.85倍；污染物嵌入深度增加会衰减光场增强效应，且金属颗粒对嵌入深度的敏感性远高于氧化物颗粒。本研究明确了污染物特性、空间排布与激光参数的耦合关系，揭示了多激光辐照下的光场调制核心机制，为高功率激光系统污染控制及抗损伤熔石英元件设计提供了重要理论依据。
Abstract: Laser-induced damage caused by micro-nano contaminants is a core problem for fused silica optical components in high-power laser systems. Based on the finite-difference time-domain method, this study established a numerical model to explore the optical field modulation laws and damage evolution characteristics of fused silica induced by such contaminants under 355 nm, 1064 nm laser irradiation. The results show that the peak optical field intensity of dual-wavelength laser is 2-4 times higher than that of single-wavelength laser, with a significant enhancement effect on the optical surface. The optical field enhancement effect of metallic contaminants is 20%-400% higher than that of metal oxides, and the type and spatial arrangement of contaminants have a notable impact on optical field modulation and damage risk. A critical spacing of 350 nm exists between contaminant particles under dual-wavelength irradiation, governing their collective damage behavior; the light intensity of the arrangement with particles at the spot center is 2.85 times that without particles. The increase in contaminant embedding depth attenuates the optical field enhancement effect, and metallic particles are far more sensitive to embedding depth than oxide particles. This study clarifies the coupling relationship among contaminant characteristics, spatial arrangement and laser parameters, reveals the core mechanism of optical field modulation under multi-laser irradiation, and provides an important theoretical basis for pollution control of high-power laser systems and the design of damage-resistant fused silica components.
关键词: 激光诱导损伤；熔石英；微纳污染物；时域有限差分法；光场调制
Keywords: laser-induced damage; fused silica; micro-nano contaminants; finite-difference time-domain; optical field modulation

引言

熔石英光学元件因具备高透光率、低热膨胀系数及优异的抗激光辐照性能，被广泛应用于高功率激光系统。然而，元件表面的污染物在激光辐照下会大幅降低其损伤阈值。大型激光系统中已发现由污染诱导的三次谐波产生损伤现象，使得污染物带来的损伤风险受到广泛关注。常见的污染物主要来源于抛光工艺，包括金属颗粒（如铁、铜）和研磨残渣（如氧化铝、二氧化铈）。这些污染物会引发热效应、散射效应和光场效应，导致光学元件透光率下降、散射光增强、能量损耗加剧、元件寿命缩短、光束质量劣化及损伤阈值降低。污染物诱发的初始损伤位点会进一步调制光场，造成波前畸变并影响焦斑质量，进而引发下游元件的二次损伤。因此，探究激光辐照下微纳污染物的光场调制机制与损伤演化规律，对提升熔石英元件的抗损伤性能具有重要的理论价值和工程意义。

近年来，在单波长激光作用机制方面的实验中，尤晨、夏洋等利用显微技术和元素分析，揭示了材料带隙、损伤形貌与光场调制行为的关联；刘峰等进一步研究了1064 nm 波段下，表面及亚表面污染物对减反射亚波长结构激光诱导损伤阈值的影响；陈曦、Honig, J.、Palmier, S等系统探究了污染物来源、表面损伤形成及损伤形貌演化规律，为单波长激光作用下的相关研究奠定了理论和实验基础。在理论模拟与方法学开发方面，张志亮提出了三维损伤重构方法，为损伤结构的可视化与定量分析提供了新途径；Kafka, K.R.P.建立了热分析模型，阐明了污染物引发的局部光场调制与热效应；Demos, S.G.聚焦短脉冲激光下金属污染物的响应特征，探究了等离子体形成过程及作用区域几何特征对光场空间分布的影响；张松等为超快激光材料损伤模拟这一传统问题提供了新的研究视角。在双波长激光效应方面，Alexander, V.通过研究非线性相互作用和能量耦合机制，探究了双波长序列激光对硅材料的单程损伤与烧蚀行为；杨正红利用差分光学吸收光谱技术，研究了激光对不同污染气体的灵敏度及跨波长吸收效率。当前研究尚未充分阐明多波长协同辐照下，微纳污染物对光场调制的调控机制，尤其是强吸收、特定化学成分及复杂空间分布的污染物的作用规律。

本研究采用时域有限差分法，以铁、铜、氧化铝、二氧化铈为代表性污染物，系统探究单波长与双波长激光辐照下，不同污染物特性及空间分布对应的光场调制机制与损伤特征，为高功率光学元件设计及污染控制提供理论与实验支撑。

多颗粒污染物分布的光场调制

1.1 模型建立

光学元件表面的污染物形貌多样，椭球类颗粒是最常见的形貌之一。元件前表面的颗粒会因凸面折射使光束沿传播方向汇聚，形成光强调制区域，其光场增强效应显著强于后表面的颗粒，因此本研究主要聚焦前表面颗粒。同时，研究表明，颗粒状污染物的激光调制强度与椭球的扁平化程度密切相关，当椭球颗粒接近球形时，光场调制效应达到最大值。为精准探究产生最强光场调制的颗粒参数，明确污染物诱导损伤的核心风险点，本研究最终选取熔石英光学元件前表面的球形污染物作为研究对象。本研究选用的355 nm、1064 nm 单波长及双波长组合，是激光核聚变等高功率激光系统中的典型激光参数，确保研究结果与实际应用相符。本研究中，单颗粒污染物为垂直置于熔石英光学元件前表面中心的球形颗粒；多颗粒污染物为材质相同、调制峰值半径一致的球形颗粒，沿垂直于激光传播方向（z轴）呈等距正方形阵列排布，颗粒中心与元件前表面距离为0（紧密接触）。

图1 污染物诱导激光损伤模型示意图

入射激光波长分别为355nm和1064nm，以横磁波形式沿z轴平行传播，光强设定为1V/m，脉冲宽度10fs，光斑半径为波长的1.5倍。数值计算中，采用贝伦格提出的完美匹配层吸收边界条件，吸收边界处的入射电磁波；空气折射率设定为1.0，其他材料的折射率（实部n）和消光系数（虚部k）参数如表1所示。双波长激光的总入射功率密度与单波长保持一致，且功率在两个波长间平均分配：例如单波长功率密度为1×10¹⁵W/m²时，355nm和1064nm激光的功率密度均为0.5×10¹⁵W/m²。该设置既保证了单、双波长激光效应对比的公平性，又模拟了实际双波长激光系统的工作状态。

表1 光学材料主要参数
Wavelength 355nm 1064nm
Material n k n k
Fe 1.55 1.94 3.52 8.45
Cu 1.27 1.92 0.18 6.10
CeO2 2.01 0.2 2.08 0
Al2O3 1.80 0 1.76 0
SiO2 1.48 0 1.45 0

1.2颗粒尺寸对光场调制的影响

为深入探究污染物尺寸对光场特性产生的具体影响，明确污染物尺寸与光场峰值大小以及峰值所处位置之间的内在关联，开展关于污染物尺寸同光场峰值、峰值所在位置之间关系的研究工作十分必要。

图2 不同波长结构下光场峰值和峰值位置与光学元件表面单颗粒污染物尺寸关系 (a)355 nm波长 (b)355 nm&1064 nm波长 (c)1064 nm波长.

图2展示了在不同激光波长条件下，污染物颗粒半径、光场峰值强度和峰值空间位置之间的关系。如图4(a)和图4(c)所示，在355 nm和双波长激光辐照下，Cu污染物的I在R=60 nm且Z≈0（表面）时达到最大值，Fe污染物的I在R=77 nm且Z≈0.1 μm（近表面）时达到最大值，而氧化物污染物的I在R=100 nm且Z≈0时达到最大值，这表明金属污染物具有较小的峰值调制颗粒尺寸，并且Fe的光场峰值略微延伸到亚表面；在图4(b)的1064 nm单色激光辐照下，所有污染物的峰值调制颗粒尺寸都收敛到R=100 nm，且金属污染物的I峰值位于Z≈0（表面），而氧化物污染物的I峰值位于Z≈3 μm（亚表面），这表明在1064 nm激光辐照下，氧化物污染物的光场调制更容易延伸到元件内部，增加了亚表面损伤的风险。总之，污染物诱导的光场调制特性是激光参数和材料特性共同作用的结果。激光波长的变化，作为一个关键变量，会导致污染物颗粒在不同波长下表现出不同的共振行为和近场能量空间分布。

1.3颗粒间距对光场调制的影响

本节系统研究了在双波长激光辐照下，不同污染物材料（Fe，Cu, Al₂O₃, CeO₂）的峰值光场强度随颗粒间距L的变化规律。所有颗粒半径均采用其对应的峰值调制半径（Fe取77 nm，Cu取60 nm，氧化物取100 nm）。多颗粒间距对光场调制的影响具有显著的波长依赖性与材料特异性，355 nm、1064 nm及双波长激光下，光场调制随颗粒间距的变化规律呈现不同的特征，且均存在特征临界间距，结果如图3所示。

图3 光学元件表面多颗粒污染物间距对光场调制的影响

图3显示了当污染物处于其峰值调制半径时，光场峰值强度随多颗粒间距的变化。结果表明，在多颗粒体系中，金属污染物表现出比氧化物污染物更强的光场调制能力。随着间距的增加，金属污染物的调制强度逐渐降低并最终趋于稳定，而氧化物污染物的调制强度则先增加，后减少，最后趋于稳定。两种类型污染物的调制强度变化的临界间距都在350 nm左右。可以得出结论，对于金属颗粒，增加间距会减弱光场调制效应，当间距足够大时，响应趋于平缓。对于氧化物颗粒，在一定范围内增加间距会增强调制，但当间距超过临界值时，调制强度会降低。这个临界间距与入射波长和颗粒半径密切相关，反映了散射体之间的干涉效应和能量局域化能力之间的平衡。

这一现象可归因于氧化物颗粒主要依赖散射干涉的耦合机制。在特定间距下，散射光相位匹配，产生相长干涉，实现场增强；在不利间距下，相位失配导致相消干涉，抑制场增强。这一发现有助于理解簇团污染物的损伤行，也为优化光学元件表面的洁净度控制标准提供了参考依据。在实际工程中，不仅需要控制污染物的数量，更需关注其空间分布特征，避免形成增强光场调制的密集簇团。

1.4 多颗粒污染物不同排列分布的影响

在模拟仿真中可发现，对于光斑中心表面污染物的不同排列方式也对光场调制产生不同差异影响，下面是两种污染物在光学元件表面不同排列方式示意图。

(a) 中心有小球排列 (b) 中心无小球排列
图4 污染物在光斑中不同排列方式
(a) 中心有小球排列
(b) 中心无小球排列
图5 不同排列情况的电场图

该节对比了两种颗粒污染物的空间排布构型。如图4所示，两种构型均基于相同的正方晶格排列，其差异光斑正中心是否存在污染物的。

模拟结果表明，在相同的双波长（355 nm &1064 nm）辐照和颗粒间距条件下，中心有小球的排列方式在熔石英内部诱发的最大光强达到了17.86W/m2，而构型B的最大光强仅为6.27 W/m2。两者相差约2.85倍。尽管两种污染物分布均具备严格的周期性，但分布结构的微小改变（中心颗粒的有无）引发了巨大差异。这种差异可从下面两个方向来理解：第一，中心存在的单个颗粒在激光辐照下扮演微透镜角色。根据Mie散射理论，颗粒会将入射光聚焦于其下方，形成能量高度集中的“光子纳米喷流”。在原胞尺度上，这意味着每个格点正下方都是一个天然的能量汇聚点。当中心为低折射率的空气隙。该区域的光场完全依赖于周围8个颗粒的散射光干涉。由于缺少折射聚焦，干涉光场在空气中是发散且相对均匀的，无法形成有效的能量汇聚中心。第二，中心颗粒的存在至关重要，它不仅是自身的聚焦源，更是周围颗粒散射能量的接收器和再聚焦器。周围颗粒的散射光通过近场耦合传输至中心颗粒，与其自身的聚焦场发生相干叠加。这种协同效应使得能量被强烈地局域在中心颗粒下方，形成了一个由整个阵列支持的集体共振模式。由于中心缺少高折射率的颗粒作为“锚点”，周围颗粒的散射光无法被有效地汇聚到原胞中心。能量被束缚在颗粒构成的环状结构中，形成驻波模式。

颗粒污染物的周期排列本身并不保证强烈的光场增强，真正起决定作用的是原胞内部的几何结构。本研究中观察到的光强差异，本质上是两种不同光子态局域化机制的体现，这一发现对于评估激光诱导损伤阈值具有重要指导意义：在预测污染颗粒最危险的分布模式时，不仅需要考虑颗粒的密度和间距，更需关注其在亚波长尺度上的“占位构型”——中心颗粒的存在，是触发灾难性光场增强的关键几何要素。

1.5颗粒嵌入深度对光场调制的影响

在实际的熔石英元件中，特别是经过抛光处理后，污染物颗粒可能部分嵌入表面以下，形成亚表面缺陷。这类缺陷由于其隐蔽性，在常规表面检测中难以被发现，却可能在激光辐照下引发内部损伤，威胁元件安全。因此，研究嵌入深度对光场调制的影响具有重要的工程意义。

(a) 嵌入深度20nm (b) 嵌入深度40nm
(c) 嵌入深度60nm (d) 嵌入深度80nm
(e) 嵌入深度100nm (f) 不同嵌入深度的光场调制关系
图6 污染物不同嵌入深度情况下的电场图与光场调制关系

为探究颗粒污染物嵌入表面以下时对光场增强的影响，本节分析了四种常见污染物颗粒（Fe, Cu, CeO₂, Al₂O₃）在不同嵌入深度下的内部光场变化。嵌入深度定义为颗粒底部陷入熔石英基底的深度，范围从20 nm至100 nm。模拟在中心有球的方阵排列下进行，入射条件为355 nm与1064 nm双波长辐照，结果如图6所示。

随着颗粒嵌入深度的增加，四种材料在熔石英内部诱发的最大光强总体呈现减小的趋势。以Fe颗粒为例，嵌入深度20 nm时内部光强为17.95，当深度增加至100 nm时下降至11.24，降幅约60%。Cu颗粒从18.89降至9.51，降幅达98%。CeO₂从8.39降至8.2，Al₂O₃从9.67降至8.38，降幅分别为2%和15%。

这一普遍存在的衰减现象表明，颗粒污染物嵌入深度是影响光场增强的重要因素。当颗粒部分埋入基底时，入射光与颗粒相互作用的边界条件发生改变，原本在颗粒-空气界面形成的强聚焦效应受到干扰，导致透射进入基底的光能减少。

嵌入深度对光场的影响本质上取决于材料光学常数（n, k）与界面耦合效率的动态平衡：金属颗粒其光场增强主要依赖表面等离激元，但该效应具有极短的作用程。一旦嵌入深度破坏了表面结构的完整性（即颗粒不再是理想的孤立散射体），能量便迅速转化为热损耗，表现为光场强度的“深度敏感性”。氧化物颗粒其调制机制更倾向于几何光学与弱吸收散射。即便部分嵌入，颗粒仍可作为有效的“微透镜”或“散射中心”将光导入基底，因此光场强度随深度衰减较慢。

该结果表明，在光学元件污染检测与防护中，对于浅表层金属颗粒需极度重视（极高风险），而对于埋入式氧化物残留，即便加工后表面看似洁净，其潜在的光场调制效应仍不可忽视。以上结果为理解污染物颗粒与基底的相互作用提供了数据支持，也为光学元件的清洁工艺优化提供了参考依据。

结果与讨论

本文以高功率激光系统中熔石英光学元件表面的微纳污染物为研究对象，通过时域有限差分法，深入研究了双波长激光辐照下不同类型、尺寸、空间分布的污染物对熔石英的光场调制与损伤特性，得到以下核心结论：（1）激光波长对污染物的光场调制特性具有显著调控作用，双波长激光的协同效应可大幅升高熔石英内的光场峰值强度，且光学表面的光场增强效应最为突出，成为激光诱导损伤的高风险区域。（2）污染物类型决定了光场调制强度，金属类污染物（Fe、Cu）的光场增强能力显著高于金属氧化物（Al₂O₃、CeO₂），不同类型污染物存在各自的峰值调制颗粒尺寸，金属污染物的峰值调制尺寸更小，且 Fe颗粒的光场峰值会略微延伸至熔石英亚表面，增加了亚表面损伤风险。（3）污染物的空间特征是影响光场调制的重要因素，双波长激光下污染物颗粒间存在350 nm 临界间距，金属颗粒间距增大则光场调制效应减弱，氧化物颗粒在临界间距内增大间距会增强光场调制；光斑中心的颗粒是触发强光场增强的关键几何要素，中心有颗粒的周期性排布可形成集体共振模式，产生远高于中心无颗粒排布的光强；污染物在熔石英表面的嵌入深度增加会导致光场增强效应衰减，金属颗粒对嵌入深度高度敏感，而氧化物颗粒的光场调制能力随嵌入深度变化平缓，埋入式氧化物残留仍存在潜在损伤风险。（4）熔石英的激光诱导损伤风险是污染物特性、空间排布与激光参数三者耦合作用的结果，光场调制的本质是激光与污染物的相互作用机制、材料光学特性及界面耦合效率的动态平衡。

本研究揭示了多激光辐照下微纳污染物对熔石英光场调制的内在规律，为高功率激光系统中熔石英光学元件的污染控制提供了精准的优化方向：实际工程中需重点控制浅表层金属颗粒的存在，严格把控污染物的空间分布，避免形成350nm临界间距内的密集簇团及中心有颗粒的高风险排布；同时需重视埋入式氧化物污染物的潜在危害，完善亚表面污染物的检测与去除工艺。此外，研究结果为抗损伤熔石英光学元件的设计提供了理论支撑，可基于污染物的光场调制规律优化元件表面结构与防护体系，提升其在高功率激光辐照下的抗损伤性能。本研究也为后续探究污染物与熔石英本征缺陷的协同损伤效应奠定了理论基础，未来可进一步开展多因素耦合下的激光诱导损伤实验研究，实现理论模型与工程实际的更深度结合。

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