Коротко: потому что нагрев и повреждение зависят от того, как поле взаимодействует с материалом (амплитуда и ориентация вектора E в поверхности и слоях) и от локальной пиковой интенсивности (горячие точки). Ниже — причины и меры защиты.
Почему зависят от поляризации и распределения интенсивности
- Поляризация определяет отражение/пропускание и локальное поле в покрытии/границе (Fresnel):
Rs=∣n1cos⁡θi−n2cos⁡θtn1cos⁡θi+n2cos⁡θt∣2,Rp=∣n2cos⁡θi−n1cos⁡θtn2cos⁡θi+n1cos⁡θt∣2. R_s=\left|\frac{n_1\cos\theta_i-n_2\cos\theta_t}{n_1\cos\theta_i+n_2\cos\theta_t}\right|^2,\qquad
R_p=\left|\frac{n_2\cos\theta_i-n_1\cos\theta_t}{n_2\cos\theta_i+n_1\cos\theta_t}\right|^2.
Rs = n1 cosθi +n2 cosθt n1 cosθi −n2 cosθt 2,Rp = n2 cosθi +n1 cosθt n2 cosθi −n1 cosθt 2. При ненормальном падении $R_s\ne R_p$ — разная доля энергии попадает в материал и в слои, меняется локальная амплитуда поля → разный нагрев/отложение энергии.
- Тонкоплёночные покрытия дают поляризационно-зависимые интерференционные поля (узлы/антиноды) внутри слоёв, что меняет локальную интенсивность поглощения и LIDT.
- Орентация поля относительно дефектов/градиентов напряжения: электрическое поле, параллельное трещинам/краям дефекта, может более эффективно инициировать электронную ионизацию или пробой.
- Интенсивность и её распределение: для пучка с поперечным профилем Гаусса
$$I(r)=I_0\exp \left(-\frac{2r^2}{w^2}\right),\text{и пиковая флюенсa при энергии}E:F_{\max }=\frac{2E}{\pi w^2}.$$ Повреждение определяется пиковой интенсивностью/флюенсом, а не средней — локальные «hot spots» намного быстрее приводят к плавлению, термальному напряжению или нелинейной ионизации.
- Нелинейные процессы (мультифотонная и туннельная ионизация, тепловая накопительная абсорбция) имеют сильную зависимость от $I$ (например, скорость ∝ $I^n$), поэтому локальные пики критичны.
- Тепловая миграция и термальное напряжение: локальная плотность поглощённой мощности $q=A\cdot I$ (где $A$ — абсорбция) приводит к градиентам температуры и механическим напряжениям → оконный трещинообразование/отслоение покрытий.
Методы защиты оптики
- Управление поляризацией:
- Выбирать поляризацию, для которой покрытия и углы падения дают минимальное поглощение/рефлекцию (оптимизация под s или p; иногда используют круговую для усреднения).
- Поляризационные контроллеры/скремблеры и изоляторы для предотвращения обратных отражений.
- Формирование и выравнивание пучка:
- Расширители/фокусирователи для снижения флюенса (увеличение $w$ → уменьшение $F_{\max }$).
- Биморфные/диффракционные фазовые пластины и шейперы для получения плоского топа (flat‑top), уменьшения пиковой интенсивности.
- Пространственные фильтры (pin-hole) для удаления высокочастотных «hot‑spots».
- Оптимизация покрытий и материалов:
- Многослойные диэлектрические покрытия с высокой LIDT и низкой поглощаемостью; проектирование с учётом поляризации и угла падения.
- Использование оптического стекла с низкой абсорбцией (фузед силика), сверхчистая обработка поверхности, ионно‑лучевая полировка.
- Тепловой менеджмент и механика:
- Хорошая теплопроводящая подложка и активное охлаждение держателей/теплоотводов.
- Угол наклона элементов, чтобы избежать стоячих волн и уменьшить локальное накопление энергии.
- Защитные/жертвенные слои и среды:
- Вставные защитные окна/кэпы, сменяемые «sacrificial» пластины, защитные плёнки.
- Вакуум или чистая среда, контроль пыли и загрязнений; газовые потоки/линзы-щитки против распыления.
- Диагностика и управление:
- Мониторинг профиля пучка, тепловая диагностика, датчики обратных отражений; закрытие системы при превышении порогов.
- Адаптивная оптика и активное выравнивание, чтобы устранить hot‑spots и смещённые пучки.
- Специальные приёмы в экстремальных режимах:
- Плазменные зеркала/plasma mirror для защиты при очень интенсивных импульсах (формируют одноразовую отражающую поверхность).
- Использование распределённых ступеней разрушения (beam dumps, предохранительные щитки) и наложение дыр (apertures) для перехвата отклонённых лучей.
Короткое резюме: поляризация задаёт, где и насколько сильно поле проникает и локально усиливается в слоях и дефектах (поэтому s/p дают разную уязвимость), а распределение интенсивности определяет пик‑флюенс и вероятность нелинейных и термических повреждений. Защита достигается контролем поляризации, выравниванием профиля пучка, оптимизацией покрытий/материалов, управлением тепла, защитными окнами и активным мониторингом.