近日，同济大学精密光学工程技术研究所马彬教授等人在激光损伤研究领域取得重要进展。研究团队提出基于脉冲时间间隔(Δtp)的激光损伤度量方法，并在理论与实验上系统地揭示了纳秒激光双脉冲作用下的损伤行为与弛豫过程，阐述了非线性效应与热累积效应在损伤机制中的动态占比关系。相关研究成果以“Damage dynamics and relaxation process of double pulses with nanosecond laser”为题，发表于《光子学研究》（Photonics Research）。
激光损伤阈值(LIDT)是设计高功率激光系统的关键参数，也是制约强激光装置功率与能量输出、长时间稳定运行的限制性因素之一。在高重复频率、长期连续运行的激光系统中，光学元件必须经受住脉冲激光引发的累积效应，以保障稳定运行。LIDT不仅取决于材料本征性质，还与激光参数（如重复频率、脉冲持续时间、波长和能量密度）及薄膜结构密切相关。然而，在多脉冲激光辐照条件下，激光与光学元件相互作用机制尚未完全明晰，如何优化与平衡重复频率和单脉冲能量间的关系、预判与调控损伤概率和使用寿命，仍是亟待解决的科学与工程难题。
图1.双泵浦双探测激光损伤测量系统与瞬态损伤图像
针对这一难题，研究团队以双脉冲时间间隔(Δtp)作为最小度量单元，揭示了两种典型的损伤模式：当Δtp< 100 ns时，损伤由高阶非线性效应（例如多光子吸收）主导；当Δtp> 100 ns时，则以声子介导的热积累效应为主。研究还发现，初始脉冲会在材料内部引起改性，其弛豫时长(tc)因损伤类型差异显著：表面损伤约为500 ns，而体损伤可达到毫秒级。通过建立Δtp- tc-LIDT的动态关系模型，团队实现了根据后续脉冲的损伤结果反演前序脉冲的损伤演化与弛豫过程。
图2.熔融石英表面在不同双脉冲时间间隔(Δtp)下的LIDT测量结果。纵坐标均为激光能量密度(LIDT)。(a) (b)分别为S-on-1和R-on-1在Δtp=0-50 ms下的LIDT曲线；(c) (d)分别为S-on-1和R-on-1在Δtp=0-1 μs时的LIDT曲线
该研究依托实验测量与数值模拟的紧密结合，搭建了双泵浦-双探针激光损伤测量系统（见图1），并结合瞬态散射强度测量（极值和平均灰度值法）、LIDT测量（S-on-1和R-on-1）（见图2）以及临界激光能量密度的数值模拟（见图3），多角度验证了该方法的可靠性。该成果可以为激光损伤机制的基础模型与工程应用的实际需求之间提供新的实现途径，为高性能激光系统设计和高功率激光技术发展提供新的解决方案。
图3.脉冲时间间隔Δtp=0-1000 ns，在材料温度屈服强度内，LIDT测量与临界损伤能量密度模拟数值对比
该成果以马彬教授为论文通讯作者，博士研究生潘俏菲和王可博士为论文共同第一作者。
论文原文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.539648
