负载能力是衡量大型高功率固体激光装置综合性能的重要技术指标之一,持续提高光学元件及薄膜的抗激光辐照损伤能力,是装置负载能力提升的基础。然而,目前激光诱导元件表面损伤仍然是制约装置通量提升的“瓶颈”,而光学元件表面污染在激光诱导元件损伤中扮演着重要的角色。本文针对光学元件表面污染对激光装置负载能力影响这一问题,提出了对大型激光装置内污染物的监测和取样方案,并分析了污染物的成分。实验上系统地研究了各类污染物对光学元件裸片及溶胶-凝胶薄膜的光学性能和抗激光损伤性能的影响,各类污染物沉积量与元件激光损伤阈值之间的关系,元件在特定污染情况下安全运行的“红线”;理论上模拟了表面污染对激光光场的调制。论文主要研究内容和结果如下:1.根据污染物类型,运用了三种在线监测手段,即在线成像系统、声表面波传感器和微纳光纤传感器。结果表明:在线成像系统适合于监控尺寸大于几十微米的颗粒污染物;声表面波传感器能对分子态有机污染物进行有效监测;而微纳光纤传感器的优势在于监控尺度在微米量级或更小的微粒污染物。2.研究了污染物的取样方法及成分分析。（a）固体颗粒及非蒸发性残留污染物采用擦拭的方法采样,污染物形貌运用扫描电子显微镜观察,成分采用能谱仪进行分析。结果表明:各元件表面污染物的成分主要是有机物、金属及矿物质颗粒。（b）分子态有机污染物采用真空采样罐采样,成分则借助质谱仪进行分析。结果表明:激光装置内的分子态有机物多达数十种,主要是烷烃类、氯烷类和芳香烃类;污染物总含量及各组分浓度随激光发次和作用时间的增加而降低。3.研究了污染物对光学元件裸片（熔石英、K9玻璃）的光学性能及抗激光损伤性能的影响。（a）研究了尘埃颗粒对K9玻璃损伤形貌及激光损伤阈值的影响。尘埃颗粒处损伤坑的尺寸随激光发次、能量的增加而增大;K9玻璃的激光损伤阈值与尘埃尺寸之间呈反比的关系,划出了K9玻璃在不同尺寸尘埃颗粒污染下安全运行的“红线”。（b）研究了真空油对熔石英和K9玻璃表面形貌、透过率、激光损伤阈值、光热弱吸收等性能的影响。结果表明:光学元件裸片被真空油污染后,其表面呈现出微米量级的油滴;熔石英和K9玻璃的透过率/激光损伤阈值均随油污染沉积质量增加而降低,并获得了相应的变化规律及表达式;划出了熔石英和k9玻璃在不同程度油污染下安全运行的“红线”。4.研究了污染物对SiO₂溶胶-凝胶薄膜（1ω和3ω增透膜）的光学性能及抗激光损伤性能的影响。（a）研究了尘埃颗粒对1ω增透膜的损伤形貌和激光损伤阈值的影响。尘埃颗粒处薄膜损伤形貌随激光能量的增加而加剧;1ω增透膜的激光损伤阈值与尘埃尺寸之间呈反比关系,划出1ω增透膜在不同尺寸尘埃颗粒污染下安全运行的“红线”。（b）研究了真空油对溶胶-凝胶增透膜表面形貌、透过率、激光损伤阈值等性能的影响。结果表明:当油污染由轻到重,薄膜表面依次出现油渗透、油斑、凝聚、颗粒状形态;1ω和3ω增透膜的透过率/激光损伤阈值随油污染沉积质量的增加而降低,并获得了相应的变化规律及表达式;划出了1ω和3ωSiO₂溶胶-凝胶增透膜在不同程度油污染下安全运行的“红线”。（c）研究了分子态有机污染物（橡胶管出气）对SiO₂溶胶-凝胶增透膜的光学性能及激光损伤的影响。结果表明:溶胶-凝胶增透膜的透过率及激光损伤阈值随污染时间增加或气压降低而减小。另外,1ω增透膜的抗污染能力比3ω增透膜强;在薄膜遭受较严重污染时,透射峰值会出现红移。5.建立了椭球颗粒、圆锥颗粒、圆柱颗粒及膜层污染的三维模型,采用三维时域有限差分（3D-FDTD）方法和完全匹配层（PML）吸收边界条件,针对各类污染物对激光光场的调制进行了数值模拟,得到了污染物参数（形状、位置、尺寸、相对介电常数、颗粒数、间距）与激光光场调制的关系,并给出了相应电场峰值的变化规律。上述结果表明,针对光学元件表面污染对负载能力影响的研究,无论是实验研究还是数值模拟都的取得了较大的进展。对工程上（激光系统）有一定的参考价值和指导意义。