激光辐照引起的材料温度场和热应力场的瞬态分布

 光电探测器吸收激光后的温升以及因温升造成的各种现象,致使探测器遭受到不同程度的损伤。利用热弹性理论对CO2激光器辐照K9玻璃材料进行研究,建立激光辐照材料温升及热应力分布二维平面模型,通过解析计算得到由激光辐照半导体材料引起的温度场和应力场的瞬态分布。研究表明, K9玻璃材料的激光辐照损伤阀值与辐照时间和光斑半径相关。在同一条件下,造成的热应力损伤阀值较熔融损伤的低,故K9玻璃材料的破坏形态为热应力破坏。      

三倍频熔石英激光损伤的吸收前驱体

 在三倍频熔石英激光损伤研究中,吸收前驱体的存在是造成熔石英材料表面损伤阈值远低于体损伤阈值的主要原因。以吸收作为主线,建立吸收前驱体引起的熔石英表面损伤模型,并讨论吸收前驱体与熔石英表面损伤的联系。针对金属元素微粒残留理论模拟了激光辐照过程中微粒周围温度场的变化,结果表明在脉冲时间内微粒周围温度很快到达损伤判据所给出的临界温度,通过激光损伤实验,证实吸收性微粒含量与损伤密度有密切联系。针对亚表面裂纹,建立一维模型计算受激后裂纹表面附近自由电子密度分布。计算结果和实验结果均表明：金属元素微粒和亚表面裂纹是熔石英激光损伤中重要的吸收前驱体,金属元素微粒对激光能量的吸收致使周围材料温度在脉冲时间内达到损伤判据温度2 000 K;受激后裂纹表面的自由电子密度达到1021 cm-3的水平,可导致对后续激光的强烈吸收;两种吸收前驱体极大降低了熔石英材料的表面抗损伤性能。     

熔石英表面加工引入金属微粒的三倍频激光损伤机制

 以材料表面金属元素吸收作为主线建立熔石英表面损伤模型,理论模拟了激光辐照过程中金属微粒周围温度场的变化,模型结果显示,在脉冲时间内微粒周围温度很快达到损伤判据给出的临界温度。通过激光损伤实验,对比刻蚀与未刻蚀样品之间的损伤密度,证实了金属微粒含量与损伤密度存在密切联系。计算结果和实验结果均表明：金属微粒是熔石英激光损伤中重要的吸收前驱体,极大降低了熔石英材料的表面抗损伤性能。     

脉冲激光辐照TiO2/SiO2薄膜热效应研究

 采用1.06 μm单脉冲激光在不同能量密度下辐照特殊光电系统中典型薄膜光学元件，理论分析了激光辐照薄膜元件产生的温度场和热应力场，在此基础上建立了激光辐照多层薄膜的物理模型，计算软件使用ANSYS软件的热分析模块对激光辐照薄膜元件产生的温度场和热应力场进行了模拟，分别给出不同激光能量密度下薄膜表面光斑中心的温度场、径向温度场和轴向温度场分布；同时给出不同能量密度下薄膜的轴向、径向和环向热应力分布。并对激光辐照薄膜元件产生的温度场、热应力场进行了分析，阐明了原因。     

熔石英表面铜膜污染物诱导损伤实验研究

 在熔石英元件表面溅射一层厚度小于10 nm的金属铜膜污染物,并测试元件的透过率。测试355 nm熔石英元件的激光损伤阈值,并用光学显微镜观测损伤形态。实验结果表明：污染后的熔石英元件的损伤阈值降低20%左右,元件表面的金属污染物薄膜经强激光辐照,在熔石英表面形成很多坑状微损伤,分布不均的热应力导致表面起伏,并有明显的烧蚀现象,导致基底损伤阈值下降。建立的光吸收和热沉积传输模型初步解释污染物膜层导致熔石英元件损伤的机理。     

半导体材料的激光辐照效应计算和损伤阈值分析

在激光对抗中,探测器容易受到激光损伤,为此研究了连续强激光对半导体材料的损伤机理,建立了氧碘化学激光器辐照InSb圆板型靶材的二维物理模型。在圆柱坐标系中利用积分变换法,求解热传导和热弹性力学方程组。得到由激光辐照引起的温度场和热应力场的瞬态分布。经过严格的理论分析,计算出InSb材料的激光破坏阈值,讨论了,不同的辐照时间和光斑半径对破坏阈值的影响。研究发现其破坏形态为熔融破坏,一般不会出现解理或炸裂现象,这一结果与相关实验报道一致。最后分析了与温度有关的非线性参量对损伤阈值的影响。     

波段外脉冲激光对锗透镜热冲击效应的数值与实验研究

基于热传导及热弹性力学的基本关系式,建立了激光辐照锗透镜的热力耦合数学物理模型,对瞬态热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,得到了锗透镜的温度场和应力场分布,并利用波长1.06 μm,脉冲宽度10 ns的Nd∶YAG脉冲激光对锗透镜进行了热冲击实验研究.数值分析表明,热应力损伤在锗透镜的脉冲强激光损伤中占据主导地位,在短脉冲激光辐照下,锗透镜出现热应力损伤的激光能量密度小于出现熔融损伤的激光能量密度,热应力损伤主要集中在光斑中心区域并体现为压应力损伤,将使材料表面出现裂纹或剥落,实验结果与数值分析基本相符.     

物理参数变化对短脉冲激光激励温度场的影响

 为研究多物理参数（耦合系数、电子热导率、电子热容、晶格热容）同时随温度变化对短脉冲激光辐照金属材料产生温度场分布的影响,基于双温耦合理论,建立了短脉冲激光辐照金属材料金的加热过程的有限元求解模型。在同时考虑脉冲激光的空间、时间分布和多参数同时随温度变化的情况下,得到短脉冲激光辐照金属材料金激励产生的温度场二维瞬态分布,并进一步比较了多物理参数同时随温度变化和采用室温物理参数两种情况下温度场分布的区别。数值结果表明：多物理参数同时随温度变化使电子温度和晶格温度的上升变快,最大值变大,而且使得材料中激光穿透直接辐照到的区域温度变高。     

0.53 μm毫秒脉冲激光对GaAs热分解损伤特性

针对波长0.53 m的毫秒脉冲激光辐照GaAs的表面热分解损伤问题,建立了二维轴对称热传导模型,在考虑材料的热物性参数随温度变化的基础上,采用有限元法模拟了材料的瞬态温度场,得到了温度场分布特征及其随时间的变化规律,给出了材料表面发生热分解损伤阈值曲线。数值结果表明:毫秒脉冲激光对GaAs作用时,热传导影响着激光作用全过程,对应的损伤机理主要为热损伤;在激光作用下,被作用表面中心处温度最高,并且首先发生热分解损伤;随着作用激光能量密度的增加,GaAs表面发生热分解损伤的时刻不断提前。     

重复脉冲激光辐照光学材料的热力效应

在建立高斯型重复脉冲激光辐照光学材料模型的基础上,得到了圆柱型光学材料的二维温度场和热应力的解析解.以K9玻璃为例,通过数值计算得到同条件下重复脉冲激光对光学材料的损伤阈值.研究表明：在高斯型重复脉冲激光辐照下,损伤阈值受到脉冲数目、宽度、重复频率以及脉冲激光光斑半径的影响,多数情况下K9玻璃会发生热应力损伤.     

基于ANSYS的脉冲激光辐照石英玻璃的温度场数值模拟

采用有限元仿真软件ANSYS 12.0对脉冲功率激光辐照石英玻璃建立了热力学模型,对其表面温度场进行了数值模拟,得到了在不同激光功率密度下的瞬态温度场分布,并对模拟结果进行了分析和研究,为激光辐照石英玻璃实验提供依据.     

1064 nm激光致熔石英损伤的数值模拟研究

为了研究1064 nm激光对增透熔石英的热应力损伤机理以及等离子体分布等效应。基于热传导和气体动力学理论,探究了毫秒激光对增透熔石英的热应力损伤和致燃损伤的理论模型,利用comsol软件模拟了1064 nm激光作用增透熔石英时材料内部的热损伤、应力损伤以及激光支持燃烧波,模拟结果表明在激光光斑半径区域内,温升较为明显,形成较大的温度梯度,激光作用区域受热膨胀,其余区域会对膨胀发生抵制,因此材料内部产生应力,其中上表面的径向应力、环向应力在激光光斑边缘附近达到最大值,应力损伤应该先从辐照中心点或激光光斑边缘附近产生,同时发现等离子体的传播是稳态的,燃烧波的最大速度发生在最初时刻,并随着扩散时间逐渐变低。     

环形分布激光束引起光学窗口镜热变形理论分析

 用有限Hankel变换就常见的环形分布激光束情形，推导得到了激光束辐照透过窗口镜引起热传导温度场和热变形分布的理论解，以此计算结果与实验值相比较，分析了白宝石、石英两种窗口镜在激光辐照下的热变形情况。分析结果表明，在激光束辐照的4s时段内，温升场主要集中在激光束辐照的环形区内，在镜面内远未拉平，由此引起的厚度方向热膨胀变形也很不均匀。材料对激光的吸收系数和热膨胀系数以及热扩散率分别是决定热变形量值大小和空间分布的最主要的物性参数。     

基于激光近场和图像分割技术的复合波长诱导熔石英损伤实验研究

在复合波长(波长分别为1053、527、351nm)情况下,利用激光近场对熔石英样品进行损伤实验。设计了一种基于激光近场辐照的损伤阈值定义方法,并利用带有灰度抑制的分水岭标记算法对损伤图像进行损伤区域提取,通过对比损伤图像与相应光束近场能量分布,计算出损伤区域与非损伤区域临界处的光能量密度,即为熔石英样品的损伤阈值。实验结果表明,复合波长激光诱导熔石英损伤是3种波长激光共同作用的结果,但351nm激光对损伤起主要作用,初始损伤阈值为8.22J/cm2;在复合波长激光多次辐照样品的情况下,熔石英样品后表面的损伤成指数形式增长,损伤增长系数为0.59。     

Numerical simulation of the modulation to incident laser by the repaired damage site in a fused silica subsurface

One of the main factors of laser induced damage is the modulation to incident laser which is caused by the defect in the subsurface of the fused silica.In this work,the repaired damage site irradiated by CO 2 laser is simplified to a Gaussian rotation according to the corresponding experimental results.Then,the three-dimensional finite-difference time-domain method is employed to simulate the electric field intensity distribution in the vicinity of this kind of defect in fused silica front subsurface.The simulated results show that the modulation is notable,the E max is about 2.6 times the irradiated electric field intensity in the fused silica with the damage site (the width is 1.5 μm and depth is 2.3 μm) though the damage site is repaired by CO 2 laser.The phenomenon and the theoretical result of the annular laser enhancement existed on the rear surface are first verified effectively,which agrees well with the corresponding experimental results.The relations between the maximal electric field intensity in fused silica with defect depth and width are given respectively.Meanwhile,the corresponding physical mechanism is analysed theoretically in detail.     

高功率激光光束经颗粒污染后的近场衍射效应

采用高功率激光驱动器设计软件Laser designer数值研究了激光光束经颗粒污染后的近场衍射特性. 对颗粒污染所产生的调制进行了分类, 并详细分析了真空和石英玻璃中, 振幅调制型和位相调制型颗粒污染对光束近场的影响. 研究结果表明, 无论在真空或石英玻璃中, 位相型颗粒污染对高功率激光光束的近场调制影响较大. 且在石英玻璃中, 位相型硬边颗粒污染所引起的高功率激光光束小尺度自聚焦热像调制现象相当严重. 而由颗粒污染引起光束强区的横向偏移, 却在一定程度对小尺度自聚焦有抑制作用.     

紫外准分子激光损伤典型光学材料的特性分析

根据已经建立的紫外准分子激光损伤典型光学材料的理论模型,研究了准分子激光对透明光学材料（石英玻璃）和非透明光学材料（K9玻璃）的损伤特性,并结合实验结果证实了理论模型的有效性。研究表明：在准分子激光对非透明光学材料辐照下,激光光斑半径越大,产生的热应力和温度越小;脉宽越小,产生的热应力越大;随着脉冲数的增加,温度和热应力都逐渐增大。值得注意的是,当重频增加至45 Hz以上时,熔融损伤阈值开始低于应力损伤阈值,这说明当重频增加到一定程度时,非透明光学材料将首先产生熔融损伤,而不再是应力损伤。在准分子激光对透明光学材料辐照下,杂质微粒的半径和掩埋深度对光学材料温度场分布有着重要影响。但当杂质半径和掩埋深度超过一定的数值时,杂质粒子的存在与表面温度并无联系。理论模型能够较好地解释石英玻璃前/后表面相同的初始损伤形貌特征。     

铝靶激光热应力的实验研究

 用高温应变计和热偶计等诊断技术，研究连续波氧碘化学激光（CW/COIL）与铝合金板作用产生的激光热应力。当照射靶面激光强度约1 000 W/cm²时，激光热应力随靶厚的增加而快速减小。当激光辐照靶材厚度h＝1.00 mm、激光强度I＝640~980 W/cm²时，激光热应力随辐照靶面激光强度的增加而增大。两者的激光热应力－时间曲线随靶厚的减薄或随辐照靶面激光强度的增加而变得越来越复杂。当靶厚h≤2.50 mm，辐照靶面激光强度I≥800 W/cm²时，激光热应力强度超过激光辐照区材料断裂强度，萌生许多孔洞裂纹，引起材料断裂破坏。