【摘 要】
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激光诱导光学材料损伤的研究一直是高功率激光装置中亟需解决的重要问题之一。高功率密度的激光脉冲对光学材料的抗激光损伤能力提出严格的要求,材料的损坏直接影响激光系统的安全稳定,制约其输出能力。因此,研究如何提高光学材料的损伤阈值,具有重要的实际意义。用于理论分析激光与物质作用机理的方法有解析法和数值计算法。解析法计算复杂,且只适用于极少数情况;有限元法相比于有限差分法,具有非常好的灵活性和非常强的处理
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激光诱导光学材料损伤的研究一直是高功率激光装置中亟需解决的重要问题之一。高功率密度的激光脉冲对光学材料的抗激光损伤能力提出严格的要求,材料的损坏直接影响激光系统的安全稳定,制约其输出能力。因此,研究如何提高光学材料的损伤阈值,具有重要的实际意义。用于理论分析激光与物质作用机理的方法有解析法和数值计算法。解析法计算复杂,且只适用于极少数情况;有限元法相比于有限差分法,具有非常好的灵活性和非常强的处理复杂问题的能力。在此基础上,本论文应用基于有限元法的软件ANSYS,模拟计算激光脉冲诱导光学玻璃和光学薄膜损伤的场效应,考虑杂质缺陷对激光能量分布的调制作用,分析损伤产生的物理机理,为改进激光系统在科研、国防、生产等领域的应用提供一定的参考价值。本论文主要研究基于ANSYS的激光脉冲与光学材料作用的损伤模型计算,分析损伤的发展规律。首先基于傅里叶热传导理论和经典的热弹性理论,给出模型中激光能量的热扩散方式和力作用方式,并结合有限元理论详细分析激光辐照光学材料损伤的热力效应;然后建立激光脉冲损伤光学玻璃(K9玻璃和熔石英)和杂质微粒引起K9玻璃损伤的理论模型,分析激光参数和材料性质对损伤阈值的影响;此外,计算薄膜—基底界面瞬态温度场和应力场分布,进而研究光学薄膜受激光脉冲调制的场效应分析。研究结果表明:激光脉冲辐照光学玻璃时,体损伤要先于表面损伤产生,由环向拉伸热应力控制;K9玻璃的拉伸应力、压缩应力和熔融损伤阈值分别为4.62、8.40和10.25J/cm2,损伤的产生过程为“先应力,后熔融;先拉伸,后压缩”。在同样的激光参数下,K9玻璃承受的热应力是熔石英的19倍左右;在薄膜—基底界面有很高的温度和热应力,且Ti02薄膜要先于K9基底产生损伤;激光脉冲辐照光学薄膜时,受场调制的表层Hf02膜有最高的电场强度;Pt杂质调制的场强使得杂质附近薄膜区域成为损伤薄弱位置,且随着杂质尺寸增大,最高电场强度和温度呈近似线性增长。
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