激光脉冲对光学材料损伤的热特性研究

论文摘要

激光诱导光学材料损伤的研究一直是高功率激光装置中亟需解决的重要问题之一。高功率密度的激光脉冲对光学材料的抗激光损伤能力提出严格的要求,材料的损坏直接影响激光系统的安全稳定,制约其输出能力。因此,研究如何提高光学材料的损伤阈值,具有重要的实际意义。用于理论分析激光与物质作用机理的方法有解析法和数值计算法。解析法计算复杂,且只适用于极少数情况;有限元法相比于有限差分法,具有非常好的灵活性和非常强的处理复杂问题的能力。在此基础上,本论文应用基于有限元法的软件ANSYS,模拟计算激光脉冲诱导光学玻璃和光学薄膜损伤的场效应,考虑杂质缺陷对激光能量分布的调制作用,分析损伤产生的物理机理,为改进激光系统在科研、国防、生产等领域的应用提供一定的参考价值。本论文主要研究基于ANSYS的激光脉冲与光学材料作用的损伤模型计算,分析损伤的发展规律。首先基于傅里叶热传导理论和经典的热弹性理论,给出模型中激光能量的热扩散方式和力作用方式,并结合有限元理论详细分析激光辐照光学材料损伤的热力效应;然后建立激光脉冲损伤光学玻璃(K9玻璃和熔石英)和杂质微粒引起K9玻璃损伤的理论模型,分析激光参数和材料性质对损伤阈值的影响;此外,计算薄膜—基底界面瞬态温度场和应力场分布,进而研究光学薄膜受激光脉冲调制的场效应分析。研究结果表明:激光脉冲辐照光学玻璃时,体损伤要先于表面损伤产生,由环向拉伸热应力控制;K9玻璃的拉伸应力、压缩应力和熔融损伤阈值分别为4.62、8.40和10.25J/cm2,损伤的产生过程为“先应力,后熔融;先拉伸,后压缩”。在同样的激光参数下,K9玻璃承受的热应力是熔石英的19倍左右;在薄膜—基底界面有很高的温度和热应力,且Ti02薄膜要先于K9基底产生损伤;激光脉冲辐照光学薄膜时,受场调制的表层Hf02膜有最高的电场强度;Pt杂质调制的场强使得杂质附近薄膜区域成为损伤薄弱位置,且随着杂质尺寸增大,最高电场强度和温度呈近似线性增长。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•     1.1.1 激光脉冲的应用前景
•     1.1.2 强激光对光学元件损伤研究的意义
•   1.2 激光对光学材料损伤机理的研究
•     1.2.1 本征损伤
•     1.2.2 非本征损伤
•   1.3 激光脉冲诱导光学材料损伤的研究方法
•   1.4 本论文主要研究内容
• 第2章 激光辐照光学材料热力效应的理论分析
•   2.1 有限元方法和有限元软件ANSYS
•     2.1.1 有限元简介
•     2.1.2 有限元软件ANSYS简介
•   2.2 光学材料热学效应的有限元分析
•     2.2.1 热传导方程
•     2.2.2 热传导方程的有限元描述
•   2.3 光学材料力学效应的有限元分析
•     2.3.1 热弹性方程
•     2.3.2 热应力问题的有限元描述
•   2.4 本章小结
• 第3章 光学玻璃损伤热特性的有限元分析
•   3.1 激光对材料损伤阈值因素的研究
•     3.1.1 激光损伤的定义和作用方式
•     3.1.2 激光参数对损伤的影响
•     3.1.3 材料性质对损伤的影响
•   3.2 激光辐照K9玻璃的热力效应分析
•     3.2.1 理论模型
•     3.2.2 温度和应力分布
•     3.2.3 热力效应的时间特征
•     3.2.4 损伤发展过程
•   3.3 激光辐照熔石英玻璃的热力特性
•   3.4 影响损伤结果的激光参数有限元分析
•     3.4.1 脉冲波形对损伤结果的影响
•     3.4.2 激光重频对损伤结果的影响
•   3.5 本章小结
• 第4章 激光对光学薄膜损伤的场效应分析
•   4.1 薄膜—基底界面损伤
•   4.2 光学薄膜激光损伤的理论基础
•     4.2.1 膜层内的场分布
•     4.2.2 含杂质薄膜的损伤机制
•   4.3 激光诱导光学薄膜损伤的有限元分析
•     4.3.1 激光诱导薄膜的电场效应
•     4.3.2 薄膜的热力场分布
•   4.4 杂质诱导光学薄膜损伤的有限元分析
•     4.4.1 杂质诱导薄膜的电场效应
•     4.4.2 含杂质薄膜的热力场分布
•   4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 本文工作总结
•   5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间公开发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王飞

导师: 袁孝

关键词: 有限元法,傅里叶热传导理论,热弹性理论,光学玻璃,光学薄膜,杂质微粒

来源: 苏州大学

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: 苏州大学

分类号: TN249;TB34

DOI: 10.27351/d.cnki.gszhu.2019.002405

总页数: 75

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