哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
熔石英是惯性约束核聚变激光驱动器装置中的常用光学材料，其后表面在
装置末端的351nm高功率紫外激光的辐照下极易产生损伤。材料喷溅是熔石英
后表面激光损伤中的重要现象，会对激光装置中光学元件的表面光学性能造成影
响，然而当前对喷溅物出射后在外界环境中的运动规律研究存在不足。本文基
于连续探测和泵浦探测技术对不同激光辐照条件、空气环境和低气压环境下喷
溅物完整的运动过程进行了实验与理论研究，厘清了气化物和颗粒物这两类喷
溅物的相应运动特征。本文的研究内容分为如下两部分：
（1）基于时间分辨阴影成像、iCCD成像、高速摄像与光谱分析技术对气
化物进行了探测，并使用粘性可压缩流体模型对气化物在不同环境下的演化过
程作了数值模拟。结果表明，气化物在喷射初期处于高温态，其内部包含了离
化和中性物质且离化成分随时间比例下降。空气环境下气化物的高速向外喷射
会产生沿径向和轴向扩张的冲击波波包，并在环境气体的作用下不断减速形成
湍流状结构，最终分裂为沿后表面运动和远离后表面向下游扩散的两部分；而
低气压环境下气化物喷出后无环境阻力，会很快以相对空气更高的速度沿轴向
匀速向外部喷射。激光辐照条件会对气化物运动学特征产生影响，空气环境下
气化物在长时间尺度下的扩散尺寸与激光通量呈正相关，喷溅物中气化物比例
取决于激光能量中用于烧蚀后表面的比例；低气压环境下长时间尺度下的气化
物羽辉尺寸与通量呈现正相关，而羽辉形貌与激光锥角有关。
（2）基于时间分辨散射成像和高速成像技术对颗粒物开展观测实验，并使
用经典运动模型对颗粒物的运动轨迹进行了模拟。结果表明，颗粒物在喷射初
期发出明亮的射线状自发光。空气环境下前沿的平均速度在100m/s量级；与环
境气体的相互作用会造成颗粒物大大减速，使其在5cm~10cm左右停止水平运
动。粒径为10μm~35μm的颗粒物表现出直线喷射并迅速弯折，粒径较大的颗
粒以抛物线型运动轨迹。两类轨迹符合由重力和曳力共同支配动力学方程；低
气压环境下颗粒物前沿速度在1km/s量级，可观测到直线喷射型和抛物线喷射
型两类运动轨迹，其中直线型的运动速度要远大于抛物线型，且颗粒物几乎不
降速，这对环境中的光学元件有极大的威胁。模拟结果表明粒径越小的颗粒物
飞行过程的温度降低更快，且低气压环境下还需考虑由蒸发带来的颗粒物质量
损失。激光辐照条件同样会对颗粒物运动学特征产生影响，颗粒物的喷射量取
决于激光能量沉积在靶材体内的比例，而喷射张角与喷口的初始条件和激光沉
积的位置深度有关，沉积位置越深相应的张角会变大。除此之外，颗粒物的分
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布还会受气化物和环境气流的影响，模拟表明速度低于0.6m/s的环境气流就会
造成颗粒物的反向运动，这说明颗粒物的后表面吸附现象极有可能来自于气化
物和环境气流的吹拂。此外，实验表明被吸附的颗粒在后续激光的辐照下不会
对后表面本身造成明显的损伤。
本文探索了激光诱导熔石英后表面损伤中喷溅物的完整运动过程，为损伤
动力学研究中完整损伤图像的建立提供了参考，对高功率激光装置洁净度的维
持和光学元件次生损伤的规避有一定的指导意义。
关键词：激光诱导损伤；熔石英；喷溅；气化物；颗粒物
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Abstract
Fusedsilicaisacommonopticalcomponentinlaserdevicesofinertial
confinementfusion(ICF),anditsrearsurfaceisvulnerabletodamageunderthe
irradiationof351nmhigh-powerultravioletlaserat