3.8微米激光与熔融石英相互作用的理论研究：基于温度依赖性吸收系数的测量及其在光学元件修复中的应用

本文通过建立实验装置测量了熔融石英在3.8 μm波长下的温度依赖性吸收系数，发现其随温度呈线性增长（2000 K时达1004 m-1），并基于此构建了激光-材料相互作用模型。研究揭示了中红外激光（Mid-IR）在光学元件损伤修复中的独特优势：较10.6 μm激光（CO2 laser）更深的穿透深度与可控能量耦合，为熔融石英（fused silica）表面缺陷的非蒸发式修复（non-evaporative method）提供了新策略。

　　

Highlight

熔融石英在中红外波段（Mid-IR）的吸收系数介于近红外与远红外之间，3.8 μm激光兼具高能量耦合效率与深层穿透优势，为光学元件激光修复提供了独特技术路径。

Experiments

实验采用3.8 μm连续波激光器（CW laser）与加热系统联用，通过分光比校准和热像仪测温，首次测得熔融石英在3.8 μm波长下吸收系数随温度的线性关系（2000 K时达1004 m^-1，仅为10.6 μm激光的1/200）。

Theory and model

建立的热-流-蒸发多物理场耦合模型显示：3.8 μm激光可诱导熔融石英形成深度达271 μm的熔池（melt pool），其气-液界面（air-liquid interface）退缩动力学与实验观测高度吻合。

Experimental results and processing

对比10.6 μm激光（0.0356 kW/cm²）的浅层加热（<10 μm），3.8 μm激光在相同功率下实现1900 K的深层均匀加热，验证了其在修复深层裂纹（>200 μm）中的显著优势。

Conclusion

本研究不仅填补了3.8 μm激光与熔融石英相互作用的基础数据空白，更为光学元件"温和修复"（soft mitigation）提供了新方案——通过精准控温实现材料流动再成型（reflow），避免蒸发式处理（evaporative method）导致的锥形坑缺陷。