1、熔石英作為激光裝置高通量段的首選材料，其激光誘導損傷是限制激光通量的“瓶頸”。抑制熔石英元件表面損傷及損傷增長并延長其使用壽命，是提升高功率固體激光裝置負載能力的重要手段。在諸多緩解熔石英元件表面損傷及其增長的方法中，CO2激光輻照的修復效果得到了普遍認可。本文針對其物理機制開展了理論分析和數(shù)值計算，主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1.計算了高斯圓形CO2激光輻照熔石英元件的溫度分布與演化過程。當激光輻照結(jié)束時，輻照中心的溫度最高

2、，向周圍逐漸降低，在輻照中心處，沿元件表面方向溫度梯度較小，而指向元件內(nèi)部的溫度梯度較大，等溫線在元件表面呈圓形，在元件內(nèi)部呈高斯形，且高斯形等溫線的寬度較大、深度較小。輻照升溫和冷卻降溫時溫度變化都是先快后慢，且靠近光斑邊緣處的溫度梯度較大。
　　2.利用有限元方法分析了脈沖激光參數(shù)對修復尺寸的影響。CO2激光修復過程中，蒸發(fā)和熔融區(qū)域的輪廓均呈高斯坑形，激光功率、輻照時間、光斑大小對修復尺寸的影響比較明顯，尤其是對修復深度的影

3、響比較大，而脈沖頻率和占空比對修復尺寸的影響比較小，隨著激光頻率的增加，蒸發(fā)尺寸明顯減小，而熔融尺寸變化不大，有利于抑制蒸發(fā)并促進修復表面更光滑，這與實驗結(jié)果吻合。
　　3.研究了CO2激光輻照熔石英元件的熱應力分布與演化，以及激光輻照參數(shù)對殘余應力的影響。輻照過程中輻照區(qū)域由于快速升溫膨脹而產(chǎn)生壓應力，外圍產(chǎn)生拉應力，冷卻過程中輻照區(qū)域快速降溫收縮逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?，外圍轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯ΑＴ砻娴闹鲬σ暂椪罩行臑閳A心呈環(huán)形分布，輻

4、照中心的材料由于曾經(jīng)發(fā)生熔融導致應力不大，最大拉應力位于輻照中心周圍。元件表面的剪切應力關(guān)于輻照中心對稱，最大剪切應力靠近輻照邊緣，高應力區(qū)有四個，呈梭形。同時還發(fā)現(xiàn)，最大殘余剪切應力的半徑與激光功率和輻照時間無關(guān)，隨光束半徑的增大而增大，這與實驗結(jié)果吻合很好。
　　4.將蠕變理論引入高溫退火的數(shù)值計算中，模擬其對熔石英元件的去應力效果，并與實驗結(jié)果比對，初步確定了熔石英材料在800℃時的蠕變系數(shù)。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)高溫退火確實能夠有效

5、減小元件的殘余應力，然而，蠕變程度與退火前的殘余應力及應變密切相關(guān)，這可能對元件面型產(chǎn)生負面影響。另外，設計了大口徑熔石英元件的退火支撐方案，通過對比認為，側(cè)面豎直支撐方案可以有效地控制元件自身重量對應力和面型的影響。
　　5.采用傳熱與流動相互耦合的方式建立了CO2激光輻照熔石英材料的二維熔融流動模型，首次在理論上定量描述了修復形貌特征。通過分析導致流動的三種驅(qū)動力的作用，發(fā)現(xiàn)表面張力是引發(fā)流動的主導驅(qū)動力，在表面張力作用下，表

6、層材料的熔融流動使元件面形發(fā)生明顯變化，形成了高斯坑周圍存在環(huán)形凸起的獨特形貌，與實驗結(jié)果吻合。
　　6.計算了激光功率、輻照時間、光束半徑對CO2激光輻照過程中熔融流動的影響，結(jié)果表明，流動速度對輻照時間非常敏感，隨著輻照時間的增加流動速度快速增加，與此同時，高斯坑深度和凸起環(huán)高度也迅速增加，而凸起環(huán)半徑變化不大。另一方面，在材料最高溫度相同的情況下，改變激光功率和光束半徑對流體的流動速度影響都不大，隨著激光功率降低或者光束半徑

7、增大，高斯坑深度、凸起環(huán)高度和半徑均有不同程度增大，不過，功率對坑深和環(huán)高影響較明顯，對凸起環(huán)半徑影響不大，而光束半徑對坑深和環(huán)高影響較弱，對凸起環(huán)半徑的影響相對明顯。實驗中也觀察到了類似的現(xiàn)象。
　　7.基于常見的元件表面損傷和缺陷，對劃痕、麻點和坑洞三種類型的損傷進行建模，然后采用二維熔融流動模型進行修復模擬，發(fā)現(xiàn)無論是何種類型的損傷，經(jīng)過CO2激光單點修復后，最終都會呈現(xiàn)高斯坑周圍環(huán)形凸起的修復形貌。另外，原始損傷尺寸越大修