洁净系统中激光诱导颗粒污染物的分析与评估

　　高功率激光系统要求在洁净环境中运行，若光学元件表面在工作过程中附着污染物，将导致光学元件的损伤及整个系统负载能力的下降。针对洁净系统中激光与材料作用而产生的颗粒物，分析其作用机制，探讨用于评估的理论依据，讨论测量的需求和方法，并对系统表面存在的颗粒污染物进行了实际测量分析，提出了深入开展高功率激光系统中颗粒污染物测量与评估的技术途径。

1、引言

　　高功率激光系统的所有光学元件在百级环境中清洗、装校，金属构架也按照相关标准进行清洁，整个系统在百级的洁净环境中运行。然而系统中加载激光后，环境的洁净度骤降，可达10万级或者更高。经测试，环境中出现大量微米量级的气溶胶悬浮颗粒，并可在沉降过程中附着于元件表面，进而造成元件表面的污染以及光学元件的损伤，并导致整个系统负载能力的下降。

　　研究表明，高功率激光系统中颗粒污染物的来源主要有以下几种:氙灯照射材料产生颗粒污染物;激光作用于材料产生颗粒污染物;材料化学出气产生颗粒污染物;机械磨损产生颗粒污染物;外界环境引入颗粒污染物。可见系统中颗粒污染物的成因是多样的，来源是复杂的。研究聚焦于洁净系统中激光与材料作用所产生的颗粒污染物，通过分析其作用机制，探讨对激光产生颗粒物进行评估的理论依据，总结测量评估的需求和部分方法，以及对系统表面存在的颗粒污染物进行实际测量分析等，为系统开展高功率激光系统中颗粒污染物的评估工作提供发展建议。

2、国内外相关研究现状

　　美国国家点火装置(NIF)针对其放大器中洁净度的获得与维持进行了大量研究工作，AMPLAB是已建成的原型国家点火装置类放大器试验设备，以评估用于NIF的板条放大器的光学、热学和洁净度特性。在其相关文献中提及材料可因短脉冲激光作用而产生冲击感生释放、微粒溶化，或低分解温度材料因受热而分解。有关激光诱导颗粒物定量计算方法的研究报道较少，而从团簇产生的角度考虑污染颗粒物的形成，并围绕着成簇反应的动力学机制分析团簇的个数及粒径分布，同时研究团簇物的生长与发展，进而实现对污染颗粒物定量评估的思路与技术途径尚未见国内外报道。

　　目前我国针对高功率激光系统中激光与材料作用产生颗粒污染物的机制研究尚处于起步阶段，刚刚开始对颗粒物定量计算方法的研究途径进行探索;在颗粒污染物的成分分析中仅对几种简单成分取得分析结果。

　　近年来，已经对高功率激光系统中颗粒性污染物的测量方法开展一些研究工作，对象包括光学表面和光滑金属表面上以及悬浮中的颗粒污染物，测量方法包括在线和离线、原位和非原位、接触和非接触测量等，其中包括了一些新颖独特的颗粒物采样方法[2];测量的物理量主要包括颗粒物的个数密度、粒径分布等;还研究了通过TEM及其附带的能谱仪分析获得非挥发性颗粒物物相的方法，该方法可用于颗粒物成份的分析，如图1所示。

图1 选区为多晶结构的颗粒物相分析

4、讨论与建议

　　综上所述，无论是激光溅射无机物材料产生颗粒物，还是激光照射有机物材料产生颗粒物的机制都极其复杂，涉及的因素及参量都很多，难以建立起计算模型给予定量表达，加之系统中不同的位置所经受激光作用的参数不同，不同位置可能使用的材料不同，以及颗粒物的转移过程和转化机制的复杂性，使得对系统中任何部位颗粒物的定量分析计算都成为颇为复杂的难题。为此，还是需要研究建立激光系统中表面颗粒污染物的测量方法，并在实际工程中，对某些高洁净度要求的部位进行颗粒性污染的评估。这些测量与评估包括定性和定量两个方面，目的在于分析污染来源，控制使用材料，监测污染量级，为激光系统的设计、使用和清洁提供依据。定性测量主要包括有机颗粒污染物和无机颗粒污染物的成份分析等;定量测量主要包括颗粒物的个数密度、粒径分布等的测量。对有机颗粒物进行成份分析可表征激光作用下有机分子裂解的状况，对个数密度(表面及悬浮)的测量可表征激光作用下颗粒物产生的数量，对粒径分布的测量可表征激光下产生颗粒的尺寸分布。获得的相关基础数据还可用于支持激光作用下颗粒物产生机制的验证及深入研究。

　　需要继续深入探究激光作用下颗粒物产生与发展变化的机制，找准主要因素，逐步建立起仿真与定量计算方法;与此同时，研究建立激光与材料作用产生颗粒物的实验评估系统，具备实验测试条件，开展对实际环境的模拟以及材料作用效应测试，获得的试验数据将有助于作用机制及仿真模型的研究，并为工程设计提供指导及依据。