高功率激光系統(tǒng)要求在潔凈環(huán)境中運(yùn)行，若光學(xué)元件表面在工作過(guò)程中附著污染物，將導(dǎo)致光學(xué)元件的損傷及整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載能力的下降。針對(duì)潔凈系統(tǒng)中激光與材料作用而產(chǎn)生的顆粒物，分析其作用機(jī)制，探討用于評(píng)估的理論依據(jù)，討論測(cè)量的需求和方法，并對(duì)系統(tǒng)表面存在的顆粒污染物進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量分析，提出了深入開(kāi)展高功率激光系統(tǒng)中顆粒污染物測(cè)量與評(píng)估的技術(shù)途徑。

1、引言

　　高功率激光系統(tǒng)的所有光學(xué)元件在百級(jí)環(huán)境中清洗、裝校，金屬構(gòu)架也按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行清潔，整個(gè)系統(tǒng)在百級(jí)的潔凈環(huán)境中運(yùn)行。然而系統(tǒng)中加載激光后，環(huán)境的潔凈度驟降，可達(dá)10萬(wàn)級(jí)或者更高。經(jīng)測(cè)試，環(huán)境中出現(xiàn)大量微米量級(jí)的氣溶膠懸浮顆粒，并可在沉降過(guò)程中附著于元件表面，進(jìn)而造成元件表面的污染以及光學(xué)元件的損傷，并導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載能力的下降。

　　研究表明，高功率激光系統(tǒng)中顆粒污染物的來(lái)源主要有以下幾種:氙燈照射材料產(chǎn)生顆粒污染物;激光作用于材料產(chǎn)生顆粒污染物;材料化學(xué)出氣產(chǎn)生顆粒污染物;機(jī)械磨損產(chǎn)生顆粒污染物;外界環(huán)境引入顆粒污染物�？梢�(jiàn)系統(tǒng)中顆粒污染物的成因是多樣的，來(lái)源是復(fù)雜的。研究聚焦于潔凈系統(tǒng)中激光與材料作用所產(chǎn)生的顆粒污染物，通過(guò)分析其作用機(jī)制，探討對(duì)激光產(chǎn)生顆粒物進(jìn)行評(píng)估的理論依據(jù)，總結(jié)測(cè)量評(píng)估的需求和部分方法，以及對(duì)系統(tǒng)表面存在的顆粒污染物進(jìn)行實(shí)際測(cè)量分析等，為系統(tǒng)開(kāi)展高功率激光系統(tǒng)中顆粒污染物的評(píng)估工作提供發(fā)展建議。

2、國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀

　　美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)針對(duì)其放大器中潔凈度的獲得與維持進(jìn)行了大量研究工作，AMPLAB是已建成的原型國(guó)家點(diǎn)火裝置類(lèi)放大器試驗(yàn)設(shè)備，以評(píng)估用于NIF的板條放大器的光學(xué)、熱學(xué)和潔凈度特性。在其相關(guān)文獻(xiàn)中提及材料可因短脈沖激光作用而產(chǎn)生沖擊感生釋放、微粒溶化，或低分解溫度材料因受熱而分解。有關(guān)激光誘導(dǎo)顆粒物定量計(jì)算方法的研究報(bào)道較少，而從團(tuán)簇產(chǎn)生的角度考慮污染顆粒物的形成，并圍繞著成簇反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制分析團(tuán)簇的個(gè)數(shù)及粒徑分布，同時(shí)研究團(tuán)簇物的生長(zhǎng)與發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)污染顆粒物定量評(píng)估的思路與技術(shù)途徑尚未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外報(bào)道。

　　目前我國(guó)針對(duì)高功率激光系統(tǒng)中激光與材料作用產(chǎn)生顆粒污染物的機(jī)制研究尚處于起步階段，剛剛開(kāi)始對(duì)顆粒物定量計(jì)算方法的研究途徑進(jìn)行探索;在顆粒污染物的成分分析中僅對(duì)幾種簡(jiǎn)單成分取得分析結(jié)果。

　　近年來(lái)，已經(jīng)對(duì)高功率激光系統(tǒng)中顆粒性污染物的測(cè)量方法開(kāi)展一些研究工作，對(duì)象包括光學(xué)表面和光滑金屬表面上以及懸浮中的顆粒污染物，測(cè)量方法包括在線和離線、原位和非原位、接觸和非接觸測(cè)量等，其中包括了一些新穎獨(dú)特的顆粒物采樣方法[2];測(cè)量的物理量主要包括顆粒物的個(gè)數(shù)密度、粒徑分布等;還研究了通過(guò)TEM及其附帶的能譜儀分析獲得非揮發(fā)性顆粒物物相的方法，該方法可用于顆粒物成份的分析，如圖1所示。

圖1 選區(qū)為多晶結(jié)構(gòu)的顆粒物相分析

4、討論與建議

　　綜上所述，無(wú)論是激光濺射無(wú)機(jī)物材料產(chǎn)生顆粒物，還是激光照射有機(jī)物材料產(chǎn)生顆粒物的機(jī)制都極其復(fù)雜，涉及的因素及參量都很多，難以建立起計(jì)算模型給予定量表達(dá)，加之系統(tǒng)中不同的位置所經(jīng)受激光作用的參數(shù)不同，不同位置可能使用的材料不同，以及顆粒物的轉(zhuǎn)移過(guò)程和轉(zhuǎn)化機(jī)制的復(fù)雜性，使得對(duì)系統(tǒng)中任何部位顆粒物的定量分析計(jì)算都成為頗為復(fù)雜的難題。為此，還是需要研究建立激光系統(tǒng)中表面顆粒污染物的測(cè)量方法，并在實(shí)際工程中，對(duì)某些高潔凈度要求的部位進(jìn)行顆粒性污染的評(píng)估。這些測(cè)量與評(píng)估包括定性和定量?jī)蓚�(gè)方面，目的在于分析污染來(lái)源，控制使用材料，監(jiān)測(cè)污染量級(jí)，為激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用和清潔提供依據(jù)。定性測(cè)量主要包括有機(jī)顆粒污染物和無(wú)機(jī)顆粒污染物的成份分析等;定量測(cè)量主要包括顆粒物的個(gè)數(shù)密度、粒徑分布等的測(cè)量。對(duì)有機(jī)顆粒物進(jìn)行成份分析可表征激光作用下有機(jī)分子裂解的狀況，對(duì)個(gè)數(shù)密度(表面及懸浮)的測(cè)量可表征激光作用下顆粒物產(chǎn)生的數(shù)量，對(duì)粒徑分布的測(cè)量可表征激光下產(chǎn)生顆粒的尺寸分布。獲得的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還可用于支持激光作用下顆粒物產(chǎn)生機(jī)制的驗(yàn)證及深入研究。

　　需要繼續(xù)深入探究激光作用下顆粒物產(chǎn)生與發(fā)展變化的機(jī)制，找準(zhǔn)主要因素，逐步建立起仿真與定量計(jì)算方法;與此同時(shí)，研究建立激光與材料作用產(chǎn)生顆粒物的實(shí)驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)，具備實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件，開(kāi)展對(duì)實(shí)際環(huán)境的模擬以及材料作用效應(yīng)測(cè)試，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將有助于作用機(jī)制及仿真模型的研究，并為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)及依據(jù)。