光学材料强激光诱导损伤的吸收波前模型研究

论文摘要

目前对光学材料的强激光诱导损伤已经进行了广泛而深入地研究,但对于初始损伤的形成过程却仍然难以定量描述。现阶段对初始损伤定量描述比较好的模型是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验提出的吸收波前模型(Absorption Front Model)。之前的杂质诱导损伤模型只能分析损伤阈值与激光参数的关系,而吸收波前模型可以分析杂质诱导损伤坑尺寸与激光参数的关系。虽然吸收波前模型可以分析光学材料损伤坑尺寸与激光参数的关系,并代表了光学材料损伤机理研究的最新进展,但模型本身也有一些不足之处。模型一个重要局限性是:现有的吸收波前模型对于杂质缺陷吸收激光场能量的过程及其升温过程没有涉及,只是假定杂质一开始就具有很高的温度,因此不能真实地体现损伤的产生过程。在我们的论文中,我们对吸收波前模型进行了修正,将杂质对激光场的吸收过程加入到了吸收波前模型中。修正后的模型能够更真实地体现光学材料的强激光损伤过程。主要研究内容如下:(1)建立了包含杂质缺陷吸收项的吸收波前模型。我们采用米散射理论描述杂质缺陷对激光的吸收,将吸收项耦合到吸收波前的热传导方程中,建立了包含杂质缺陷项的吸收波前模型,利用时域差分法建立了修正吸收波前模型的差分方程。(2)对不同能隙,波长情况下吸收波前模型所描述的温度场分布及其演化情况进行了数值仿真。研究结果显示:(I)吸收波前推进的速度随带隙宽度增大而减小;(II)不同波长下,光吸收系数越大,则吸收波前传播速度越快。(3)利用修正吸收波前模型,我们研究了杂质与母体接触界面对温度场的影响。我们对接触界面的不同情况进行了系统的数值仿真,研究结果显示:界面热传导效率对杂质的温升有很强影响(界面热传导效率越低,杂质温升越厉害),有明显界面热传导效率时,杂质可以升温到实验所观察到的10000多K的高温,如果是理想接触(无界面热传导效率),则远达不到实验所观察到的损伤区温度。这意味着杂质颗粒与材料母体的界面情况对初始损伤的产生有很强的影响。(4)对熔石英材料中不同杂质尺寸引起的吸收波前进行了数值仿真。在数值仿真过程中,我们综合考虑了温度对材料参数的影响及自由电子的热激发。研究结果显示:当杂质尺寸是激光波长的0.216倍时,产生的温度最高,并且此时吸收波前的传播速度也最快(即产生的初始损伤坑最大)。我们的研究预测了最容易引起损伤的杂质颗粒尺寸。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究工作的背景与意义
•   1.2 国内外激光损伤相关的研究现状
•   1.3 吸收波前模型发展历史
•   1.4 论文研究的内容及结构安排
• 第二章 理论模型和计算方法
•   2.1 激光诱导固体材料损伤基本理论
•     2.1.1 针对光学元件的激光损伤标准
•   2.2 激光损伤机理及分类
•     2.2.1 激光损伤机理
•     2.2.2 激光损伤分类
•     2.2.3 热吸收爆炸模型
•     2.2.4 冲击波模型
•     2.2.5 吸收波前传播模拟
•     2.2.6 杂质缺陷诱导热破坏模型
•     2.2.7 米散射理论
•   2.3 激光辐照材料中的有限差分法分析
•     2.3.1 有限元差分方法
•     2.3.2 热传导方程差分格式
•     2.3.3 二维的热传导方程定解问题
•   2.4 本章小结
• 第三章 不同参数下的吸收波前模型的数值仿真
•   3.1 吸收波前模型差分方程的建立
•     3.1.1 用差分方程组描述模型
•     3.1.2 模型中参数确定
•   3.2 吸收波前模型温度场的模拟
•   3.3 不同参数对温度场的影响
•     3.3.1 熔石英带隙对温度场的影响
•     3.3.2 波长对温度场的影响
•   3.5 本章小结
• 第四章 修正吸收波前模型的研究
•   4.1 修正吸收波前模型的建立
•     4.1.1 用差分方程组描述模型
•     4.1.2 模型中的参数
•   4.2 修正吸收波前模型的模拟
•   4.3 杂质颗粒尺寸对温度场的影响
•   4.4 界面热传导效率对温度场的影响
•   4.5 脉宽对初始损伤坑尺寸的影响
•   4.6 激光功率密度对初始损伤坑尺寸的影响
•   4.7 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 董鲜悦

导师: 邓洪祥

关键词: 吸收波前模型,温度效应,熔石英,激光诱导损伤,数值仿真

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 电子科技大学

分类号: TN249;TB30

总页数: 102

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