高功率激光系統(tǒng)要求在潔凈環(huán)境中運行，若光學元件表面在工作過程中附著污染物，將導致光學元件的損傷及整個系統(tǒng)負載能力的下降。針對潔凈系統(tǒng)中激光與材料作用而產生的顆粒物，分析其作用機制，探討用于評估的理論依據，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途徑。

1、引言

　　高功率激光系統(tǒng)的所有光學元件在百級環(huán)境中清洗、裝校，金屬構架也按照相關標準進行清潔，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10萬級或者更高。經測試，環(huán)境中出現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，進而造成元件表面的污染以及光學元件的損傷，并導致整個系統(tǒng)負載能力的下降。

　　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:氙燈照射材料產生顆粒污染物;激光作用于材料產生顆粒污染物;材料化學出氣產生顆粒污染物;機械磨損產生顆粒污染物;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，來源是復雜的。研究聚焦于潔凈系統(tǒng)中激光與材料作用所產生的顆粒污染物，通過分析其作用機制，探討對激光產生顆粒物進行評估的理論依據，總結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、國內外相關研究現狀

　　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備，以評估用于NIF的板條放大器的光學、熱學和潔凈度特性。在其相關文獻中提及材料可因短脈沖激光作用而產生沖擊感生釋放、微粒溶化，或低分解溫度材料因受熱而分解。有關激光誘導顆粒物定量計算方法的研究報道較少，而從團簇產生的角度考慮污染顆粒物的形成，并圍繞著成簇反應的動力學機制分析團簇的個數及粒徑分布，同時研究團簇物的生長與發(fā)展，進而實現對污染顆粒物定量評估的思路與技術途徑尚未見國內外報道。

　　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果。

　　近年來，已經對高功率激光系統(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)為多晶結構的顆粒物相分析

4、討論與建議

　　綜上所述，無論是激光濺射無機物材料產生顆粒物，還是激光照射有機物材料產生顆粒物的機制都極其復雜，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，加之系統(tǒng)中不同的位置所經受激光作用的參數不同，不同位置可能使用的材料不同，以及顆粒物的轉移過程和轉化機制的復雜性，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)的設計、使用和清潔提供依據。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密度、粒徑分布等的測量。對有機顆粒物進行成份分析可表征激光作用下有機分子裂解的狀況，對個數密度(表面及懸浮)的測量可表征激光作用下顆粒物產生的數量，對粒徑分布的測量可表征激光下產生顆粒的尺寸分布。獲得的相關基礎數據還可用于支持激光作用下顆粒物產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生與發(fā)展變化的機制，找準主要因素，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測試，獲得的試驗數據將有助于作用機制及仿真模型的研究，并為工程設計提供指導及依據。