高功率激光系統(tǒng)要求在潔凈環(huán)境中運行，若光學(xué)元件表面在工作過程中附著污染物，將導(dǎo)致光學(xué)元件的損傷及整個系統(tǒng)負(fù)載能力的下降。針對潔凈系統(tǒng)中激光與材料作用而產(chǎn)生的顆粒物，分析其作用機制，探討用于評估的理論依據(jù)，討論測量的需求和方法，并對系統(tǒng)表面存在的顆粒污染物進(jìn)行了實際測量分析，提出了深入開展高功率激光系統(tǒng)中顆粒污染物測量與評估的技術(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，整個系統(tǒng)在百級的潔凈環(huán)境中運行。然而系統(tǒng)中加載激光后，環(huán)境的潔凈度驟降，可達(dá)10萬級或者更高。經(jīng)測試，環(huán)境中出現(xiàn)大量微米量級的氣溶膠懸浮顆粒，并可在沉降過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;機械磨損產(chǎn)生顆粒污染物;外界環(huán)境引入顆粒污染物。可見系統(tǒng)中顆粒污染物的成因是多樣的，來源是復(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，通過分析其作用機制，探討對激光產(chǎn)生顆粒物進(jìn)行評估的理論依據(jù)，總結(jié)測量評估的需求和部分方法，以及對系統(tǒng)表面存在的顆粒污染物進(jìn)行實際測量分析等，為系統(tǒng)開展高功率激光系統(tǒng)中顆粒污染物的評估工作提供發(fā)展建議。

2、國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀

　　美國國家點火裝置(NIF)針對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是已建成的原型國家點火裝置類放大器試驗設(shè)備，以評估用于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)顆粒物定量計算方法的研究報道較少，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)的動力學(xué)機制分析團(tuán)簇的個數(shù)及粒徑分布，同時研究團(tuán)簇物的生長與發(fā)展，進(jìn)而實現(xiàn)對污染顆粒物定量評估的思路與技術(shù)途徑尚未見國內(nèi)外報道。

　　目前我國針對高功率激光系統(tǒng)中激光與材料作用產(chǎn)生顆粒污染物的機制研究尚處于起步階段，剛剛開始對顆粒物定量計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幾種簡單成分取得分析結(jié)果。

　　近年來，已經(jīng)對高功率激光系統(tǒng)中顆粒性污染物的測量方法開展一些研究工作，對象包括光學(xué)表面和光滑金屬表面上以及懸浮中的顆粒污染物，測量方法包括在線和離線、原位和非原位、接觸和非接觸測量等，其中包括了一些新穎獨特的顆粒物采樣方法[2];測量的物理量主要包括顆粒物的個數(shù)密度、粒徑分布等;還研究了通過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，無論是激光濺射無機物材料產(chǎn)生顆粒物，還是激光照射有機物材料產(chǎn)生顆粒物的機制都極其復(fù)雜，涉及的因素及參量都很多，難以建立起計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)移過程和轉(zhuǎn)化機制的復(fù)雜性，使得對系統(tǒng)中任何部位顆粒物的定量分析計算都成為頗為復(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量方法，并在實際工程中，對某些高潔凈度要求的部位進(jìn)行顆粒性污染的評估。這些測量與評估包括定性和定量兩個方面，目的在于分析污染來源，控制使用材料，監(jiān)測污染量級，為激光系統(tǒng)的設(shè)計、使用和清潔提供依據(jù)。定性測量主要包括有機顆粒污染物和無機顆粒污染物的成份分析等;定量測量主要包括顆粒物的個數(shù)密度、粒徑分布等的測量。對有機顆粒物進(jìn)行成份分析可表征激光作用下有機分子裂解的狀況，對個數(shù)密度(表面及懸浮)的測量可表征激光作用下顆粒物產(chǎn)生的數(shù)量，對粒徑分布的測量可表征激光下產(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)生機制的驗證及深入研究。

　　需要繼續(xù)深入探究激光作用下顆粒物產(chǎn)生與發(fā)展變化的機制，找準(zhǔn)主要因素，逐步建立起仿真與定量計算方法;與此同時，研究建立激光與材料作用產(chǎn)生顆粒物的實驗評估系統(tǒng)，具備實驗測試條件，開展對實際環(huán)境的模擬以及材料作用效應(yīng)測試，獲得的試驗數(shù)據(jù)將有助于作用機制及仿真模型的研究，并為工程設(shè)計提供指導(dǎo)及依據(jù)。