光学材料破坏机理

本文综述近三十年来国内外光学材料破坏研究发展状况,详细地阐述了表面破坏,杂质缺陷引起的热破坏,受激布里渊散射激发超声波造成的破坏,雪崩电离击穿和多光子吸收电离破坏,以及自聚焦引起的破坏的机理,及其各自的理论模型。     

覆岩破坏直流电场特征数值计算

覆岩破坏引起稳态电场特征发生变化，其主要变化的电性参数是电阻率。通过建立煤层开采前后覆岩电性参数变化的数学模型，利用二维有限单元法进行覆岩破坏前后电阻率分布的数值模特模拟。计算结果表明：电阻率的变化主要由覆央破坏后产生裂隙带和冒落带的岩石电性特征变化引起，从而为利用电阻率法监测覆岩破坏奠定了理论基础。     

非全裸碳离子与氦原子碰撞过程中的多重电离研究

采用飞行时间符合技术测得１．５—７．５ＭｅＶ非全裸碳离子轰击氦原子，引起氦原子双重电离与单重电离的相对截面比。对碰撞过程进行多体经典轨道蒙特卡罗模拟，得到相应的Ｏｌｓｏｎ—Ｓｃｈｌａｃｈｔｅｒ曲线，结合本实验结果，给出非全裸碳离子引起氦原子双重电离和单重电离的绝对截面，并进行了讨论。     

周期量级超短激光脉冲作用下导带电子的光吸收与碰撞电离

激光照射下光学材料的损伤过程中，导带电子的加热和碰撞电离是非常重要的过程，影响着导带电子的产生、晶格能量的沉积和破坏.分析了Drude模型的局限性，从经典力学出发求解了周期量级激光场中导带电子的运动方程，计算了导带电子的光吸收和碰撞电离，分析了激光强度、载波相位等对碰撞电离的影响. 关键词： 周期量级超短激光脉冲 导带电子 碰撞电离     

连续波CO_2激光作用下受拉铝板的瞬态破坏效应研究

通过对８ｋＷ连续波ＣＯ＿２（ＣＷＣＯ＿２）激光作用下受拉铝板瞬时破坏效应的实验研究表明：瞬时高温引起板材宏观物理破坏或微观损伤，在预应力作用下演化形成结构断裂的宏观裂纹源；材料的瞬时热软化及其相关结构的宏观受力、变形状态的重新分布，是产生结构大变形和结构失效的主要原因；受拉铝板的预应力越大，结构断裂破坏所需要的入射激光能量也越低。     

冲击波极端条件下玻璃的细观结构破坏

 研究了冲击波极端条件下玻璃介质的细观结构破坏问题，指出在低于Hugoniot弹性极限的应力区内，按照细观结构损伤程度的不同，在受压玻璃介质中可以划分出两个区域，即压缩区和破坏区。以K9和ZF1玻璃为例，通过双层结构样品实验，确认了玻璃样品的表面效应（即表面原生微裂纹的扩展）是破坏区形成的第一位原因。其次，基于对破坏区内细观结构损伤和破坏特性的分析，进一步提出：由于玻璃内部散布的不均匀相与其基体介质之间的压缩率不同，冲击波压缩造成了众多的局域变形点，当表面裂纹扩展到不均匀相与基体的边界处，会出现裂纹扩展路径拐折或分叉，造成介质的分割甚至粉碎，这是破坏区生成的第二位原因。     

隧道电离产生的高次谐波

用隧道电离模型，研究了激光和气体相互作用中，不同气体密度及激光强度下，气体电离及激光能量损耗物过程，并研究了这种效应引起的高次谐波。     

高强度纳秒激光与K9光学玻璃体损伤的实验研究

通过把脉宽为lOns、波长为1064nm的激光脉冲聚焦通过K9玻璃的方法，研究了玻璃的损伤形貌特点与高强度纳秒激光脉冲的关系。当激光脉？中聚焦在样品中心时，产生的破坏点的特点为前端大，后端小，并且纵向出现裂纹，使用高强度激光与物质相互作用时产生的激光支持的爆轰波特点解释了这些破坏特点。当激光脉冲聚焦在样品表面时，产生的破坏特点是串状的，即带有点状破坏的丝状破坏，这是由于内部缺陷或颗粒和动态自聚焦作用的结果。     

短脉冲载荷下金属材料的层裂破坏

 本文用点炮加载聚酯薄膜飞片撞击金属靶材料，飞片速度0.714~2.24 km/s，脉冲宽度40~80 ns，击靶压力为2.280~11.952 GPa。在回收的铝、铜和钢靶样品上观察到层裂现象。通过金相分析发现它们的破坏方式与在一般较长脉冲加载下的破坏方式相似，铝和铜以延性方式破坏；钢则以脆性方式破坏。一维和二维数值模拟结果表明通常的几种层裂判据在这个应力、应变和应变率范围内也基本上适用。     

吸收杂质热辐射诱导光学薄膜破坏的热力机制

光学元件的破坏是限制高功率激光系统发展的主要问题,理解光学元件的破坏机制对于高功率激光系统的设计、运行参量选择以及器件技术发展有重要影响.以热辐射模型为基础研究了杂质吸收诱导光学薄膜破坏的热力过程.研究发现薄膜发生初始破坏所需时间很短,脉冲的大部分时间是引起薄膜发生更大的破坏.在考虑吸收杂质发生相变的情况下,计算了吸收杂质汽化对薄膜产生的蒸汽压力,论证了薄膜发生宏观破坏的可能性.此模型能很好地解释光学薄膜的平底坑破坏形貌.     

固体核径迹探测器的刻度

为了测量在神舟飞船返回舱内由空间重电离粒子引起的辐射剂量，采用了固体核径迹探测器CR-39来测量飞船飞行期间，返回舱内由重电离粒子引起的能量沉积. 本文介绍了CR-39探测器对能量沉积的响应的刻度.     

后向受激布里渊散射诱导的光学材料破坏机理研究

 区别于传统的受激布里渊散射(SBS)发生器和放大器，提出了一种新型的SBS模型：自供种子光模型 (self Stokes seeding，SSS)。数值求解了SBS耦合波方程组，得到了SBS诱导应力的时空分布。基于SSS建立了高功率激光辐照下光学材料破坏阈值的计算模型，研究了SBS破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度的关系。研究发现，SBS作为一种破坏机制，表现为前表面破坏，且破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度均成反比。     

光学材料破坏的超声模型

给出了光学玻璃材料在强泵浦光作用下由光弹耦合激发超声波的瞬态受激布里渊散射理论模型，通过几个合理的近似利用数值计算给出该过程激发的超声波强度对泵浦光强度以及脉宽的依赖关系，计算表明光泵浦光强度超过一定阈值后该超声波能引起光学材料的破坏。     

光学材料连续波激光热—力破坏效应

着重研究连续波激光对光学窗口材料的热－力破坏，由于激光对光学材料的不均匀加热，造成材料内部产生热应力，而加热的进一步发展，可诱发材料宏观破坏，热－力破坏与激光辐照功率和材料本身热性质有关。文中还研究了玻璃钢化对材料抗激光损伤的影响。     

激光引起玻璃表面的破坏

探讨了高功率激光对玻璃表面的破坏。测量了在２００ｐｓ激光正入射照射下Ｋ８玻璃的破坏阈值。解释了样品输入面和输出面破坏阈值不同的原因。     

含温有界原子模型下电子与离子碰撞激发和电离截面的理论研究

采用扭曲波玻恩交换近似方法，在自由原子模型下计算了电子与离子碰撞激发、电离截面，计算值与实验一致；在含温有界平均原子模型下，系统研究了不同温度、密度等离子体中离子的电子碰撞直接电离截面，发现由于温度、密度效应导致离子的能级漂移，引起等离子体中离子的碰撞电离截面比自由原子情形发生较大变化. 关键词： 平均原子模型 扭曲波波恩交换近似 电离截面     

透红外含碲氟铝基玻璃的激光损伤阈值

 在氟铝酸盐玻璃组分中加入适量声子能量低的重金属氧化物TeO ₂，得到一种新的氧氟化物玻璃。该材料具有良好的成玻璃性能，适合制作大尺寸红外窗口镜。研究了TeO2含量对玻璃特征温度、阿贝数和红外透过性能的影响。同时测试了这种玻璃的抗DF激光能力，结果表明： TeO ₂含量为15%的玻璃，DF激光破坏阈值达14.95 kＷ·cm^-2。分析显示，由于玻璃基质的多声子吸收，对激光能量的吸收而引起的热冲击是导致玻璃破坏的主要原因。进一步降低玻璃中水分，可以提高玻璃抗激光破坏性能。     

超高压水射流冲蚀切割岩石断口微观断裂机理实验研究

 由于岩石破碎过程的复杂性，目前对水射流的破岩机理的认识仍然不十分清楚。先采用超高压万能水射流切割机冲蚀切割岩石，然后用扫描电镜对水射流切割岩石断口形貌进行观测，分析了岩石在超高压水射流作用下的破坏形式。观测分析表明，超高压射流切割岩石形成的切槽主要有长形规则和漏斗状两种形状。岩石在水射流作用下的破坏机制主要有拉伸破坏和剪切破坏两种，剥落岩块以穿晶断裂为主，其微观断裂机制是脆性拉伸破坏；切槽凹侧面主要是剪切错动，其微观破坏机制是剪脆性破坏。实验为水射流破岩机理分析提供了实测依据。     

超薄镜破坏阈值的研究

新一代空间相机的非球面主镜由一些超轻超薄的分块镜组成，由于目前通用的空间光学反射镜材料非常有限且大部分均为脆性材料，在力的作用下产生强制性的变形将引起镜体大的应力甚至破碎，所以必须研究超薄镜的破坏阈值。首先将弹性力学中应力强度因子的概念引入主动光学中，证明了应力强度因子即传统意义的材料破坏阈值。提出材料表面的微裂纹是材料脆性断裂的根本原因。介绍了一种计算材料应力强度因子的方法。最后针对超薄平面镜模型进行了实例计算，得到了超薄镜的破坏阈值与其尺寸、厚度、支承条件、表面粗糙度之间的关系。     

激光聚焦位置对K9光学玻璃损伤的影响

 利用脉宽为10 ns、波长为1 064 nm的激光脉冲聚焦通过K9玻璃的方法,研究了玻璃的损伤形貌与高强度纳秒激光脉冲聚焦位置的关系。当激光脉冲聚焦在样品中心时,吸收能量随着入射能量的增加呈线性增长,玻璃的破坏范围不断扩大;当激光脉冲聚焦在样品表面时,吸收能量随着入射能量的增加呈先增长而后减小最终趋于平稳,玻璃表面的破坏范围也是先增大而后减小趋于平稳,这主要是由于空气被击穿而吸收大量能量引起的。