准分子激光辐照K9玻璃的热力效应分析

基于传热学理论, 利用有限元法对KrF准分子激光辐照K9玻璃样品中的热力效应进行了数值分析, 并比较了脉冲数目和重频对损伤效果的影响。研究表明, 较低的准分子激光能量就能够使K9玻璃在表面和体内产生热应力损伤, 热应力损伤在光斑区域内主要由压缩热应力控制, 在光斑边缘和材料内部则主要由拉伸热应力控制。在激光脉冲结束时刻, 产生的温度和热应力最大, 且热应力以热冲击波的形式在材料内传播, 随时间变化而来回振荡, 逐渐减弱。这种热应力的反复冲击会对材料产生持续的损伤增长效应, 增加了材料的损伤时间, 并使材料更容易断裂。脉冲数目和重复频率对损伤效果有着较大影响, 在高重复频率下, 损伤累积效应明显。     

K9玻璃在脉冲CO_2激光作用下的热应力分析

根据已建立的理论模型,计算得到了K9玻璃受脉冲CO_2激光辐照时产生的热应力分布,研究了热应力的时间特征,在分析样品尺寸对损伤结果影响的基础上,提出了K9玻璃抗激光损伤的最佳半径。结果表明:K9玻璃产生的热应力损伤主要由环向应力控制,热应力以热冲击波的形式在样品内传播,大小随时间变化而来回振荡,且激光脉冲结束后比激光作用时间内产生的热应力要大。这说明若样品在激光加热期间产生的热应力不足以造成材料破坏,则有可能会在其后的冷却过程中产生更大的热应力,材料将会在冷却过程中发生破裂。根据样品参数对损伤结果的影响,进一步验证了K9玻璃抗激光损伤最佳半径的通用性。     

K9玻璃在脉冲CO2激光作用下的热应力分析

根据已建立的理论模型,计算得到了K9玻璃受脉冲CO2激光辐照时产生的热应力分布,研究了热应力的时间特征,在分析样品尺寸对损伤结果影响的基础上,提出了K9玻璃抗激光损伤的最佳半径。结果表明：K9玻璃产生的热应力损伤主要由环向应力控制,热应力以热冲击波的形式在样品内传播,大小随时间变化而来回振荡,且激光脉冲结束后比激光作用时间内产生的热应力要大。这说明若样品在激光加热期间产生的热应力不足以造成材料破坏,则有可能会在其后的冷却过程中产生更大的热应力,材料将会在冷却过程中发生破裂。根据样品参数对损伤结果的影响,进一步验证了K9玻璃抗激光损伤最佳半径的通用性。     

多脉冲激光对K9玻璃的表面损伤实验研究

 实验研究了波长为1 064 nm、脉宽为10 ns、重复频率为1 Hz的激光脉冲对K9玻璃的表面损伤特点,给出了脉冲透过能量随激光脉冲作用次数变化的规律。采用3维立体显微镜对损伤形貌进行观察,发现K9玻璃的损伤表面呈环状分布,分为烧蚀区、微裂纹区和断裂区。随着激光脉冲个数的增加,损伤由点状破坏演变为损伤区,微裂纹逐渐增长,损伤面积逐渐增大。基于激光支持的爆轰波理论分析,激光与脆性材料的相互作用可引起微裂纹的大量增长。在多脉冲激光的作用下,K9玻璃损伤的累积效应明显,表面损伤阈值明显降低,表面裂纹增长明显,损伤面积逐渐增大;但随着激光脉冲的继续增加,这种损伤趋于稳定。     

多脉冲激光对K9玻璃的表面损伤实验研究

实验研究了波长为1 064 nm、脉宽为10 ns、重复频率为1 Hz的激光脉冲对K9玻璃的表面损伤特点,给出了脉冲透过能量随激光脉冲作用次数变化的规律。采用3维立体显微镜对损伤形貌进行观察,发现K9玻璃的损伤表面呈环状分布,分为烧蚀区、微裂纹区和断裂区。随着激光脉冲个数的增加,损伤由点状破坏演变为损伤区,微裂纹逐渐增长,损伤面积逐渐增大。基于激光支持的爆轰波理论分析,激光与脆性材料的相互作用可引起微裂纹的大量增长。在多脉冲激光的作用下,K9玻璃损伤的累积效应明显,表面损伤阈值明显降低,表面裂纹增长明显,损伤面积逐渐增大;但随着激光脉冲的继续增加,这种损伤趋于稳定。     

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.     

纳秒强激光诱导K9玻璃表面损伤实验

使用脉宽约10 ns的Nd:YAG激光器,研究低加工缺陷条件下K9光学玻璃在单激光脉冲作用下的损伤形貌。利用软边光阑加长程衍射的方法实现光斑整形,利用微分干涉光学显微镜和扫描电镜对样品前后表面的损伤形貌进行观察和成像,对比研究了K9光学玻璃前后表面的损伤形貌,分析了损伤机制。研究结果显示：在红外纳秒激光辐照下,加工缺陷是K9光学玻璃产生初始损伤的主要诱因;前表面的损伤主要表现为微坑及高温等离子体产生的冲蚀变色和表面微裂纹;后表面出现了均匀的亚波长周期性光栅结构,这种周期性结构是后表面损伤增长的主要诱因。     

纳秒强激光诱导K9玻璃表面损伤实验

 使用脉宽约10 ns的Nd:YAG激光器,研究低加工缺陷条件下K9光学玻璃在单激光脉冲作用下的损伤形貌。利用软边光阑加长程衍射的方法实现光斑整形,利用微分干涉光学显微镜和扫描电镜对样品前后表面的损伤形貌进行观察和成像,对比研究了K9光学玻璃前后表面的损伤形貌,分析了损伤机制。研究结果显示：在红外纳秒激光辐照下,加工缺陷是K9光学玻璃产生初始损伤的主要诱因;前表面的损伤主要表现为微坑及高温等离子体产生的冲蚀变色和表面微裂纹;后表面出现了均匀的亚波长周期性光栅结构,这种周期性结构是后表面损伤增长的主要诱因。     

K9玻璃低压下的双折射效应研究

研究K9玻璃在低压下的双折射效应,测量它的双折射率及其梯度。结果表明,当K9玻璃用作天文透镜材料时,应充分考虑其自重引起的对透镜光学性能的影响。     

K9玻璃低压下的双折射效应研究（Ⅱ）

继文献[1]之后,我们又用激光外差干涉仪测量了K9玻璃低压(0～3.5kg)下的双折射率,发现△~n_o～F和△~n_o～F呈不同的变化规律,这个现象是由样品内部应力分布的不均匀所导致的,反映了实际天文透镜自重引起的双折射率变化。     

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。     

氧化物薄膜抗1064nm脉冲激光损伤的特性研究

对向种氧化物介质膜料的单层膜、增透膜及高反膜的激光损伤特性进行了实验研究,分别测试了单脉冲和多脉冲１０６４ｎｍ激光的损伤阈值,分析和讨论了实验的物理现象及其结果。研究表明ＳｉＯ２、Ｇｄ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３具有激光损伤阈值高、损伤程度轻的特点,特别对１０Ｈｚ激光而言,更是明显;增透膜及高反膜加λ／２层ＳｉＯ２对其激光损伤程度和损伤几率。     

超短脉冲激光辐照下金属薄膜的热行为

对双温模型的重要热学参量电子热容、电子弛豫时间、电子热导率进行量子化处理，使双温模型能适用于自由电子温度比较高的情况.利用前向差分算法，数值求解了电子-晶格双温双曲两步热传导模型，所得的结果更接近实验值.经过分析得出： 1）薄膜前表面自由电子温度达到最大值的时间约为0.27 ps,得到的损伤阈值与实验值符合较好.2）电子热容对电子温升规律影响非常大.电子热导率对自由电子温升规律也有较大的影响.3）在趋肤层内自由电子温升非常快，不同厚度自由电子温度达到最大值所需的时间延迟不明显.趋肤层以下自由电子温度升高较慢，不同厚度自由电子达到最大值所需的时间延迟明显.     

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。     

K9和熔石英玻璃纳秒基频激光损伤特性的实验对比研究

利用光学元件基频激光损伤测试平台,通过实验测试相同条件下K9和熔石英两类常用 光学元件的初始损伤阈值、损伤增长阈值和损伤增长规律,对比研究了两类光学元件的基频激光损伤特性.结果表明,K9和熔石英光学元件的初始损伤阈值基本相同,损伤面积增长都遵循指数性增长规律,损伤深度成线性增长.但两者损伤增长特性仍有很大的差别,与熔石英相比,K9激光损伤增长阈值较低,并且相同通量下的激光损伤增长更为迅速,通过两类光学材料抗压性能的巨大差异很好地解释了这一现象.该研究结果对国内高功率激光装置的透射光学材料工程应用有非常重要的参考价值.     

超快脉冲激光辐照金属薄膜热-力效应的模拟研究

基于双曲双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到超快脉冲激光辐照金属薄膜材料过程中的热-力耦合效应,得到了完全耦合的、非线性的超快热弹性模型.运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,以脉宽为100 fs的脉冲激光辐照200 nm厚金膜为例,对薄膜体内的电子-晶格温度及温度梯度、热应力和电子热流进行了数值模拟研究.结果表明：脉冲辐照早期为明显的非平衡加热阶段,同时形成较大的热电子崩力;电子热流出现双峰现象;超快加热引起的热应力是导致薄膜力学损伤的主要原因.     

1.06μm连续激光照射下K9玻璃板的应力松驰破坏

 基于一维应力松弛模型和粘弹性本构关系,对1.06μm连续激光照射下K9玻璃板中的温升和应力作了计算,结果表明,由于应力松弛效应,激光停照后的冷却过程中产生的残余拉伸应力可达到玻璃的拉伸断裂强度阈值,而激光加热期间的最大压缩应力却小于压缩断裂强度要求。对3mm厚的K9玻璃板,由应力松弛引起破坏所要求的激光参数为946kWm^-2作用0.2s,因而应力松弛可能为1.06 μm连续激光大光斑照射下K9玻璃窗口损伤的主要模式。