图17 温度模拟 。
图18显示了不同能量密度下的反向辐照加速度曲线 。 与合力和粘附力的加速度曲线交点相对应的横坐标是去除颗粒的阈值能量密度 。
图18 描绘应力加速度随反向辐照能量密度变化的曲线：（a）半径200 nm和（b）半径2μm 。
在图18（a）中 ， 颗粒半径为200 nm ， 清洁阈值为0.592 J/cm2 。 在图18（b）中 ， 颗粒半径为2μm ， 清洁阈值为22.1 mJ/cm2 。 比较图18（a）和（b）中的图表 ， 可以看出光力对200 nm半径的影响更大 。 比较图16和18 ， 发现当粒子半径较小时 ， 反向辐照阈值低于正向辐照阈值 ， 当粒子半径较大时 ， 正向辐照阈值低于反向辐照阈值 。
基于对不同粒子半径的激光清洗阈值的分析 ， 在正向和反向辐照下 ， 粒子去除阈值随粒子半径的变化如图19所示 。
图19 去除微米和纳米颗粒的能量密度和颗粒半径的最佳控制范围之间的关系 。
从图中可以观察到 ， 当粒子半径为≥ 560nm ， 由于粒子聚集 ， 正向辐照的去除阈值较低 。 对于粒径小于560nm的粒子 ， 反向辐照的去除阈值低于正向辐照 ， 这综合考虑了光力的影响和场增强的减少 。 此外 ， 该图绘制了正向和反向辐照的损伤阈值曲线 。 通过两种方法获得损伤阈值 ， 其中污染物达到沸点 ， 基板的热应力大于其屈服强度 。 在图中 ， 橙色和紫色阴影部分分别表示通过反向和正向辐照去除的粒子能量密度的控制范围 。 在此范围内 ， 清洗效果良好 ， 不会形成损坏 。
5、真空环境
5.1. 实验现象
除了将聚焦透镜和样品放置在真空室中之外 ， 在真空和空气中使用了类似的实验装置 。 图20显示了使用固定激光能量（206.1 mJ/cm2）清洁500 nm粒子半径的实验结果 。
图20 （a）原始样品和在（b）空气和（c）真空环境中清洗后的样品的宏观图像；以及（d）原始颗粒和在（e）空气和（f）真空环境中清洗后的颗粒的微观形貌 。
图20显示了在不同环境中进行激光清洗获得的结果 。 在空气中的清洗效率为82.35% ， 在真空中为83.82% 。 两种清洁效率之间的差异很小 。 比较（d）、（e）和（f）中的结果表明 ， 在两种清洁环境中 ， 颗粒都会发生热膨胀 ， 并出现熔化现象 。 在两种环境中 ， 颗粒的清洁效率和热形态几乎没有差异 。
5.2. 场调制定律
上述实验现象用于确定在空气和真空环境中清洁的粒子之间电磁场、温度和热应力的差异 。 场调制定律之一如图21所示 。
图21 （a）空气和（b）真空环境中清洁的场调制定律 。
在两种清洁环境中 ， 由于折射率是场调制的决定参数 ， 因此在强度相同的情况下 ， 热点形成在颗粒的底部 。 真空和空气的折射率分别为1和1.00029 ， 近似相等 。 因此 ， 真空和空气环境的变化对场调制定律的影响很小 。
5.3. 温度上升
温度云如图22所示 ， 其中粒子半径为500 nm ， 基板尺寸为1×25 mm 。
图22 （a）空气和（b）真空中的温度分布 。
图22（a）和（b）显示了两种环境中几乎相同的粒子温度 。 空气中的最大颗粒温度（608 K）略低于真空中的最大颗粒温度（611 K） ， 因为热量需要介质来传输 ， 因此无法通过真空传输 。 出于同样的原因 ， 基板在真空中的导热面积小于在空气中的导热面积 。 与300 K的温升相比 ， 两种环境之间的温差（约3 K）可以忽略不计 。
5.4. 应力变化
电磁场分布和温度分布用于获得图23所示的应力分布云 。
图23 （a）空气和（b）真空中的热应力云 。
空气和真空环境中的热应力分别为9.48 MPa和9.54 MPa ， 没有显著差异 。 温差导致了热应力之间的微小差异 。 由于热应力是颗粒去除的主要机制 ， 两种环境中热应力之间的差异可以忽略不计 ， 这表明真空和空气环境的变化对清洁阈值和清洁效果的影响可以忽略不计 。
总之 ， 实验结果表明 ， 两种环境的变化不会影响激光清洗效率和颗粒的相变形态 。 模拟结果表明 ， 粒子和基底的电磁场分布、温升和应力变化基本相同 。 综合考虑实验和模拟结果表明 ， 在空气中确定的清洗规律适用于真空环境 。
6、结论
为了提高高功率激光器的负载能力 ， 有必要清洗微米和纳米颗粒 。 因此 ， 我们研究了附着在透明基底上的微米和纳米颗粒的去除 。 本文使用有限元方法模拟了散射光场的变化、热力学分布以及粒子在正向和反向辐照下受到的光力大小 。 分析了颗粒去除机理、正、反向辐照的去除条件以及光力的影响 。 结果表明 ， 颗粒去除过程中存在两种力：热应力和光应力 ， 当颗粒半径较小时 ， 热应力起主导作用 。 粒子对光的散射会影响光场的分布和温升 。 此外 ， 它影响光力的大小 ， 并导致粒子的相变 。 根据热应力、光力和颗粒去除条件的作用规律 ， 得出了正、反向辐照中颗粒去除的最佳能量密度控制范围与颗粒半径之间的关系 。 研究结果揭示了去除微米/纳米颗粒的最佳条件 ， 并为光学元件的清洁提供了参考 。
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