凸性研究揭示纳米秒激光诱导熔融石英损伤生长机理及其对高功率激光系统的应用价值

针对高功率激光系统中熔融石英光学元件在紫外纳秒激光辐照下的损伤生长问题，研究人员通过预制初始损伤点，结合中孔径激光辐照诱导生长实验，设计时分辨阴影成像系统捕捉损伤动态演化，并创新性引入形态学参数"凸性（convexity）"。研究发现：损伤点凸度越低，生长系数越高且损伤深度越浅，径向裂纹形态是决定损伤生长的关键因素。该成果为激光诱导损伤（LID）预测和抑制提供了理论依据，对提升光学元件寿命及激光装置稳定性具有重要意义。

　　

论文解读

在惯性约束聚变（ICF）研究领域，国家点火装置（NIF）、神光-III（SG-III）等大型高功率激光设施正推动能源技术革命。然而，光学元件（尤其是熔融石英）在紫外纳秒激光辐照下产生的损伤会随后续激光作用而生长，严重威胁装置稳定运行。传统统计模型虽能描述损伤生长与能量密度（fluence）、损伤尺寸的关联，但个体损伤点的生长系数存在显著差异。如何量化损伤形态特征对生长行为的影响，成为突破预测瓶颈的关键科学问题。

中国工程物理研究院的研究团队创新性地结合百焦耳级钕玻璃激光装置与多维度成像技术，开展了熔融石英损伤生长机制研究。团队首先预制初始损伤点，利用中孔径紫外激光（351 nm）诱导损伤生长；同步搭建时分辨阴影成像系统捕捉损伤动态演化过程，并通过透射视角（transmission-view）与侧视角（side-view）显微成像系统获取最终损伤形貌。核心创新在于引入形态学参数"凸性"——定义为损伤区域面积与其凸包面积的比值，用以量化径向裂纹结构的复杂程度。

损伤生长的动态演化与应力分布

实验发现，损伤生长伴随显著的应力波传播：第三至第六次激光脉冲后，应力波以~3.5 km/s速度扩散，并在后续脉冲中降至~1.5 km/s。偏振成像显示，应力集中区域与径向裂纹扩展方向高度重合，证实应力分布是驱动损伤生长的物理基础。

凸性对损伤生长行为的定量调控

通过对损伤图像的统计分析，团队揭示凸性与生长系数（growth coefficient）的强相关性：

1. 凸度-生长系数负相关：凸性值每降低0.1，生长系数升高约0.15（R²=0.93）。低凸性损伤点（凸性<0.65）的生长系数可达高凸性点（凸性>0.85）的2倍以上。
2. 凸度-损伤深度关联：低凸性损伤点平均深度（~25 μm）显著浅于高凸性点（~45 μm），表明径向裂纹复杂度影响能量沉积深度。
3. 形态分类指导预测：根据凸性阈值（0.75）将损伤分为"高生长风险型"（凸性≤0.75）与"低生长风险型"（凸性>0.75），为在线监测提供判据。

结论与意义

该研究首次建立熔融石英损伤形态参数"凸性"与生长系数的定量关系模型，揭示径向裂纹结构通过调制应力分布调控损伤生长的物理机制。结论包括：

1. 凸性是预测损伤生长行为的有效指标，可弥补传统模型仅依赖尺寸、能量密度参数的不足；
2. 低凸性损伤点因裂纹分支多、应力集中显著，更易发生横向扩展，导致高生长系数与浅层损伤特征；
3. 基于凸性分类的损伤风险评估，为激光阴影遮挡（local laser shadowing）、CO₂激光修复等抑制技术提供精准标靶。

此项发表于《Optics》的研究，不仅深化了对激光诱导损伤（LID）生长机理的理解，更为高功率激光装置中光学元件的寿命预测与主动防护提供了关键技术支撑。通过实时监测损伤点凸性变化，有望实现损伤生长风险的早期预警，推动ICF装置向更高能量密度与更长运行周期迈进。