光学材料激光诱导损伤的模拟与实验研究

【摘要】光学材料激光诱导损伤问题是限制激光功率水平和光束质量提高的一大瓶颈,因此开展激光诱导光学材料损伤研究,提高光学材料激光损伤阈值,成为激光技术发展的热点。本文通过理论推导、数值模拟以及实验等方式对光学材料激光诱导损伤及作用机理进行了研究。首先,论述了激光与光学材料相互作用的基本规律,从激光与光学材料相互作用的基本过程出发,分析了材料对激光的吸收作用,介绍激光损伤的定义,激光作用方式,并从热力耦合损伤、亚表面缺陷损伤、等离子体损伤和场效应损伤四个方面介绍激光作用下光学材料的损伤机理。其次,采用有限元数值法对激光辐照下材料的温度场与热应力场方程进行了分析。从柱坐标下的热传导方程出发,经过有限元离散化以及单元和总体分析,得到了材料的瞬态温度场理论计算有限元方程,然后基于经典热弹性理论和虚功原理,分析得到了瞬态热应力场理论计算的有限元方程。再次,利用有限元软件建立了脉冲激光作用下熔融石英与白宝石的温度场和热应力场模型,并得到相应的仿真结果,重点对光学材料表面凹坑、划痕与杂质三种缺陷对材料激光损伤阈值的影响进行了仿真分析,分析结果表明,材料对激光能量的本征吸收并不是导致材料损伤的根本原因,而材料中的缺陷均会影响材料的激光损伤阈值,尤以杂质对激光能量的吸收最为剧烈,对光学材料的激光损伤阈值影响最大,并且在一定的激光参数条件下,材料中的杂质存在一个最有害的尺寸值,使材料最易受到激光损伤,当杂质尺寸小于或大于此值时,吸收的激光能量则不足以使其温度升到破坏值。最后,搭建了基于等倾干涉原理的光学材料激光损伤阈值检测实验平台,通过该实验平台实现了对光学材料激光损伤阈值的检测,并对白宝石、熔融石英和氟化钙三种光学材料进行损伤实验,得到三种材料在纳秒激光辐照下的损伤阈值,实验结果表明：当采用“1-on-1”方式辐照时,三种材料表面的损伤面积均随着激光能量密度的增大呈线性增长的关系,而当采用“s-on-1”方式辐照时,材料后表面的损伤面积随脉冲次数呈指数增长关系。本文的研究结果不仅有助于加深对光学材料激光诱导损伤进程的理解,而且对其损伤机理有了进一步的认识,同时为抗激光损伤材料的研制提供理论和实验基础。
【作者】陈力子；
【导师】项震；景春元；
【作者基本信息】浙江大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】激光技术；激光诱导损伤；有限元；损伤实验；仿真；表面损伤特性；

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