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。     

化学刻蚀过程中熔石英表面沉积物的形成及其对激光损伤的影响

化学刻蚀是提升熔石英光学元件抗激光损伤性能的重要后处理技术之一,但刻蚀后熔石英表面附着的沉积物对其表面质量、透射性能和抗激光损伤性能有很大影响。使用光学显微镜和原子力显微镜表征了化学刻蚀后附着于熔石英表面的沉积物的微观形貌,并分析了其形成机理;X射线能谱分析表明化学刻蚀后熔石英表面沉积物主要由Fe,Ni,Al等元素的金属盐组成。损伤阈值测试结果表明熔石英表面高密度沉积物区域的损伤阈值明显低于非沉积物区域,沉积物对熔石英光学元件的抗激光损伤性能产生严重影响,它们是诱导熔石英激光损伤的前驱体。     

抑制损伤发展的CO_2激光修复技术及机理研究

熔石英表面激光损伤发展问题一直制约着激光器的运行通量。采用CO2激光在线熔融修复损伤点,修复后形成一个光滑的高斯坑,去除了损伤点中的裂纹,平滑了凹凸不平的表面,并且在紫外脉冲激光作用下,修复斑再次产生损伤的阈值高于熔石英元件的损伤生长阈值。因此CO2熔融修复技术能有效地抑制损伤发展。通过分析CO2激光作用下熔石英表面的温度分布,讨论修复坑的形成过程,确定激光参数对修复效果的影响,为寻找最佳修复参数提供理论基础。同时利用原子力显微镜(AFM)、轮廓仪细致分析损伤点和修复斑的微细结构,采用有限差分时域方法计算损伤点和修复斑周围的光强分布,探索消除裂纹和平滑表面对抑制损伤生长的作用。     

表面Al膜污染物诱导熔石英表面损伤特性

在熔石英表面人工溅射一层Al膜污染物,分别测试污染前后熔石英基片在355 nm波长激光辐照下的损伤阈值,并采用透射式光热透镜技术、椭偏仪和光学显微镜研究了污染物Al膜的热吸收、厚度以及激光辐照前后熔石英的损伤形貌。用355 nm波长的脉冲激光分别辐照位于污染的熔石英和洁净的熔石英前后表面的损伤点,并用显微镜在线采集损伤增长图样,测试损伤点面积。实验表明:熔石英前表面的金属Al膜污染物导致基片损伤阈值的下降约30%,后表面的污染物导致基片下降约15%,位于熔石英样片后表面损伤点面积随激光辐照次数呈指数增长,而位于前表面的损伤点面积与激光脉冲辐照次数呈线性增长关系;带有污染的熔石英样片的增长因子比洁净的熔石英样片的增长因子高30%。     

酸蚀深度对熔石英三倍频激光损伤阈值的影响

 采用干涉仪和台阶仪测试蚀刻深度随时间的变化,结合材料去除速率测量,研究了HF酸蚀液对熔石英表面蚀刻的影响。测试了蚀刻后损伤阈值和表面粗糙度的变化。研究表明,熔石英表面重沉积层厚度约16 nm,亚表面缺陷层大于106 nm;重沉积层去除后损伤阈值增大,随亚表面缺陷层暴露其阈值先降低后又增加,最后趋于稳定;然而,随蚀刻时间的增加,其表面粗糙度增大。分析表明,蚀刻到200 nm能有效地提高熔石英的低损伤阈值,有利于降低初始损伤点数量和提高熔石英表面的机械强度。     

高功率脉冲电子束辐照SiO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;的光学和激光损伤性能

研究了不同剂量的60 kW高功率脉冲电子束辐照对高纯熔石英玻璃的微观结构、光学性能和激光损伤特性的影响规律. 光学显微图像表明, 辐照后熔石英样品由于热效应导致表面破裂, 裂纹密度和尺寸随辐照剂量增加而增大, 采用原子力显微镜分析表面裂纹的微观形貌, 裂纹宽度约1 um, 同时样品表面分布着大量尺寸约0.1–1μm的碎片颗粒. 吸收光谱测试表明, 所有样品均在394 nm处出现微弱的吸收峰, 吸收强度随着电子束辐照剂量增大呈现先增加后减小的趋势. 荧光光谱测试发现辐照前后样品均有3个荧光带, 分别位于460, 494和520 nm, 荧光强度随辐照剂量的变化趋势与吸收光谱一致. 利用355 nm激光研究了不同剂量电子束辐照对熔石英激光损伤阈值的影响, 结果表明熔石英的损伤阈值随着辐照剂量的增加而降低. 在剂量较低时, 导致熔石英激光损伤阈值下降的原因主要是色心缺陷; 剂量较高时, 导致损伤阈值降低的原因主要是样品表面产生的大量微裂纹和碎片颗粒对激光的调制和吸收. 关键词： 熔石英 电子束辐照 色心 激光损伤阈值     

高功率脉冲电子束辐照SiO_2的光学和激光损伤性能

研究了不同剂量的60 kW高功率脉冲电子束辐照对高纯熔石英玻璃的微观结构、光学性能和激光损伤特性的影响规律.光学显微图像表明,辐照后熔石英样品由于热效应导致表面破裂,裂纹密度和尺寸随辐照剂量增加而增大,采用原子力显微镜分析表面裂纹的微观形貌,裂纹宽度约1μm,同时样品表面分布着大量尺寸约0.1—1μm的碎片颗粒.吸收光谱测试表明,所有样品均在394 nm处出现微弱的吸收峰,吸收强度随着电子束辐照剂量增大呈现先增加后减小的趋势.荧光光谱测试发现辐照前后样品均有3个荧光带,分别位于460,494和520 nm,荧光强度随辐照剂量的变化趋势与吸收光谱一致.利用355 nm激光研究了不同剂量电子束辐照对熔石英激光损伤阈值的影响,结果表明熔石英的损伤阈值随着辐照剂量的增加而降低.在剂量较低时,导致熔石英激光损伤阈值下降的原因主要是色心缺陷;剂量较高时,导致损伤阈值降低的原因主要是样品表面产生的大量微裂纹和碎片颗粒对激光的调制和吸收.     

熔石英光学元件的损伤前驱及其抑制技术北大核心CSCD

基于抛光所引起的熔石英元件表面、亚表面所存在的损伤前驱体分布,研究了不同种类的损伤前驱体所引起的损伤形貌。然后根据不同种类的损伤前驱体分别采用表面活性剂、强氧化性酸、氢氟酸的水溶液对不同的损伤前驱体进行处理。研究结果显示:经过前期预先清洗以后,吸收性杂质所导致的雾状损伤得以消除,亚表面分布的裂纹得以很好地平滑钝化,极大地提升了熔石英光学元件的抗损伤性能,损伤阈值从4.8J/cm2提高到11.0J/cm2,最大提升幅度达到原来的2.3倍。     

杂质诱导熔石英激光的损伤机理

发展了355 nm纳秒激光下亚波长杂质粒子引起熔石英损伤的基本模型。通过Mie散射理论和热传导方程,计算了粒子与熔石英边界处的温度随粒子尺寸的变化关系,并分析了达到临界温度时,不同粒子诱导损伤所需的关键能量密度,讨论了各粒子最易引起熔石英损伤的尺寸。实验采用355 nm纳秒激光脉冲作用熔石英及其HF刻蚀样品,测得两者的损伤概率。研究表明:粒子吸收激光能量,随着粒子半径的增加,其边缘温度先增大后减小,一定尺寸范围内的粒子才会引起熔石英的损伤;关键能量密度所对应的粒子半径为最易引起熔石英损伤的关键粒子半径;经刻蚀后,熔石英样品表面杂质数密度降低,损伤概率降低,损伤阈值提高。     

铜膜和铁膜污染物诱导熔石英表面损伤行为的对比研究

采用人工溅射的方式分别在熔石英基片上镀制了光学厚度相近的铜膜和铁膜污染物。研究了熔石英基底在355nm波长的激光损伤阈值。分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、膜层厚度、表面微观形貌以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：熔石英表面的金属膜状污染物均导致基片损伤阈值下降,位于前表面的污染物引起的损伤阈值下降更为严重,约为23％。两种污染物薄膜引起基底的损伤形貌、基底损伤阈值的下降幅度与薄膜的热吸收系数与微观结构有关。从热力学响应角度,结合损伤形貌对污染物诱导熔石英表面形貌的损伤机理进行了讨论。     

延性材料动态拉伸断裂早期连通过程的逾渗描述

 借鉴逾渗理论,提出了新的应力松弛函数,简称PR函数（Percolation-Release Function）,用以描述断裂发生前由于微孔洞连通而引起的快速应力松弛过程,具有较为明确的物理意义。通过其与损伤度函数模型进行耦合,对无氧铜和45钢平板撞击层裂进行了数值模拟。结果表明：数值计算不仅有效地再现了界面的应力历史和自由面速度历史,而且再现了靶中的损伤分布;新的逾渗松弛函数具有较好的适用性。     

1064 nm激光对中性密度滤光片的损伤机理研究

中性密度滤光片的典型结构是在K9玻璃上镀金属膜,来实现对激光的有效吸收.由于损伤阈值较低,严重限制了其在高能激光系统中的应用.实验研究了较高激光能量密度下滤光片的损伤形貌和损伤机理.损伤形貌的变化特征是:随着激光能量密度的增加,滤光片先出现损伤点,后以损伤点为中心产生裂纹,且裂纹长度逐渐变长,最终连接成线状和块状,导致大面积的薄膜脱落.建立了缺陷吸收激光能量升温致中性密度滤光片表面薄膜损伤的模型,计算了薄膜表面的温度和应力分布,讨论了薄膜表面不均匀温升造成的径向、环向和轴向热应力分布.理论分析显示:环向应力是造成薄膜沿径向产生裂纹的主要原因.当激光能量密度大于约2.2 J/cm²,杂质粒子半径大于140 nm且相邻杂质粒子之间的距离小于10 μ m时,裂纹才能大量连接起来引起薄膜的大面积脱落.     

An energy-equilibrium model for complex stress effect on fatigue crack initiation

Based on Tanaka and Mura’s fatigue model and Griffith theory for fracture,an energy-equilibrium model was proposed to explain the complex stress effect on fatigue behavior.When the summation of the elastic strain energy release and the stored strain energy of accumulated dislocations reach the surface energy of a crack,the fatigue crack will initiate in materials.According to this model,for multiaxial stress condition,the orientation of the crack initiation and the initiation life can be deduced from the energy equilibrium equation.For the uniaxial fatigue loading with mean stress,the relation between the maximum stress or the minimum stress and the stress amplitude is in agreement with an ellipse equation on the constant life diagram.If the ratio of the mean stress to stress amplitude is less than a critical value-0.17,and the stress amplitude keeps constant,the fatigue crack initiation life will decrease with the increase of the compress mean stress.In this model,the mean stress does not cause damage accumulation with the fatigue cycles in crack initiation.For this reason,the loading sequence of different load levels would induce the cumulative damage to deviate from the Palmgren-Miner cumulative damage rule.The procedure of estimating the damage under random loading is also discussed.     

The effect of laser beam size on laser-induced damage performance

The influence of laser beam size on laser-induced damage performance, especially damage probability and the laser-induced damage threshold (LIDT), is investigated. It is found that damage probability is dependent on beam size when various damage precursors with different potential behaviors are involved. This causes the damage probability and the LIDT to be different between cases under a large-aperture beam and a small-aperture beam. Moreover, the fluence fluctuation of the large-aperture laser beam brings out hot spots, which move randomly across the beam from shot to shot. Thus this leads the most probable maximum fluence after many shots at any location on the optical component to be several times the average beam fluence. These two effects result in the difference in the damage performance of the optical component between the cases under a large-aperture and small-aperture laser.     

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。     

光学窗口材料激光辐照热-力效应的解析计算研究

建立了高功率连续激光辐照透明光学材料的热力学模型,通过积分变换方法求解三维热传导方程,得出了激光辐照引起的瞬态温度场分布的精确解析解,并在此基础上进一步求得热应力场的瞬态分布。以1.315μm的高能氧碘激光辐照熔石英玻璃为例,计算了熔石英在激光辐照下的温度场与热应力场分布,分析了其激光损伤机理。研究结果表明由于熔石英具有优良的热稳定性,温度不均匀分布所产生的热应力相对较小,激光损伤主要是受辐照区域温度值超过材料熔点发生熔融破坏。理论分析结果与相关的实验结论一致,说明所建立激光辐照效应模型的合理性。     

Laser induced damage in GaAs at 1.06 μm wavelength: surface effects

An experimental study of single shot damage to monocrystal GaAs by a free running laser pulse of 1.06 μm wavelength is described. In order to see the role of surface effects on laser induced damage, samples of different surface finish were prepared. The laser induced damage threshold (LIDT) of lapped GaAs samples is considerably lower than that of the mirror polished samples (ratio ). Damage threshold results are analysed in terms of a thermal model incorporating the temperature dependent thermal and optical parameters of GaAs. The combined effect of the enhanced surface absorption and high surface recombination velocity of photo-excited carriers significantly enhances the surface temperature rise and reduces the damage threshold value of GaAs. The evolution of damage morphology is governed by the mechanical damage caused due to the polishing process.     

光学材料的激光损伤形态研究

 提出了破坏形态因子的概念并以高功率连续激光作用下的光学材料的热力学响应为例，通过积分变换的方法给出激光作用期间温度场和应力场的解析形式，继而得到破坏形态因子的表达式及其简化形式，研究破坏形态因子与材料性质、激光参数的关系，从而预言特定的材料在特定的激光作用下的破坏形态。     

Initial damage induced by thermal residual stress and microscopic failure analysis of carbon-fiber reinforced composite under shear loading

In order to study the mechanical properties and the progressive failure process of composite under shear loading, a representative volume element (RVE) of fiber random distribution was established, with two dominant damage mechanisms – matrix plastic deformation and interfacial debonding – included in the simulation by the extended Drucker–Prager model and cohesive zone model, respectively. Also, a temperature-dependent RVE has been set up to analyze the influence of thermal residual stress. The simulation results clearly reveal the damage process of the composites and the interactions of different damage mechanisms. It can be concluded that the in-plane shear fracture initiates as interfacial debonding and evolves as a result of interactions between interfacial debonding and matrix plastic deformation. The progressive damage process and final failure mode of in-plane shear model which are based on constitute are very consistent with the observed result under scanning electron microscopy of V-notched rail shear test. Also, a transverse shear model was established as contrast in order to comprehensively understand the mechanical properties of composite materials under shear loading, and the progressive damage process and final failure mode of composite under transverse shear loading were researched. Thermal residual stress changes the damage initiation locations and damage evolution path and causes significant decreases in the strength and fracture strain.