本科论文工作手册.doc

开题报告1.本课题研究的目的、意义光学元件作为激光驱动器系统的“器官”，至关重要，有“一代光学元件，一代激光器”的说法。对于大型和超大型激光驱动器系统，长期安全、稳定的运行至关重要，这也是各国进行大型激光驱动器系统研制，特别是ICF（制约激光约束核聚变）驱动器研制的科学家们所面临的技术和科学上的巨大挑战。对于高功率激光器来说，虽然光学元件的发展和使用过程中遇到许多技术和科学上的挑战，但是最关键和最重要的挑战或许是如何尽可能的减少和消除强激光辐照所导致的元件损伤，这也是目前制约大型激光系统向更高更强发展的最大瓶颈，这也将是一个持续的挑战，因为当一种新的抗激光损伤材料和加工技术被开发和应用并提高光学元件的抗损伤能力后，受经济利益和技术追求的驱使，激光器的设计者们必会将激光系统的工作能力增加到这些新材料的极限。当激光器输出的能量密度等级加大时，对于一个既定成本的激光器可以获得更高的能量输出，而光学元件的抗激光损伤能力越高，那么这些光学元件的寿命就越长。并且光学原件也是导弹、卫星以及光学观测等系统中重要的原件，高能激光对光学元件的破坏能够使卫星、导弹以及航天飞机等致盲和失控。因此，研究高能激光对光学原件的损伤，对研制和发展战略和战术防卫武器有非常重要的意义。K9玻璃广泛用作光学仪器的窗口、棱镜以及反射镜、滤光片的基体。K9玻璃的脉冲串激光损伤,是光学系统抗激光辐照中的典型问题。人们对K9玻璃的激光损伤己经进行了很长时间的研究，通过实验，理论分析，数值模拟，已经得出了大量的数据和理论模型，获得了很多的结论，但有许多问题还有待研究:如不同激光波长、脉宽、材料条件下的激光损伤特性等，开展双脉冲激光辐照K9玻璃增加损伤效果等新的研究方向，对激光生产和激光的军事应用有一定的借鉴意义。2.国内外研究现状 上世纪70年代末，国外的学者对光学材料激光损伤进行了测量和分析，讨论雪崩电离和多光子吸收的物理的过程，总结了光学玻璃的激光损伤机理大致归结为:雪崩电离、多光子吸收、杂质诱导损伤等。 1965年，在频率低于电离强度的强电磁场中，L.V Keldysh根据固体能带理论，得到了原子和固体的电离几率的表达式。在低频极限的情况下，这些表达式转化成隧道自由电离几率公式;在高频极限情况下，这些表达式描述了几个光子同时吸收的过程，电离几率大部分归因于激发态原子的中间转换。 1980年，A. Vaidyanathan等人在强电场中激光诱导损伤宽禁带的非金属物质产生密度为108/cm3的导带电子，此过程可以用三种不同的模型计算:1.雪崩电离模型;2.多光子电离模型;3.雪崩电离和多光子电离两种模型相结合。 1994年，D.Du, X.Liu, G Korn等人.利用脉宽在15Ofs-7ns，波长为780nm的激光对石英晶体(Si02)诱导损伤的实验，结果显示，在脉宽范围内雪崩电离起主要作用，当脉宽小于1Ops时，损伤闭值不遵循Fth的关系，测量的二氧化硅的电离系数达到3x1O8V/cm，在短脉冲范围内对电离作用进行了讨论。 1996年，B.C.Stuart等人报告了测量电介质材料在波长为1053nm和526nm，脉冲宽度从140fs到1ns的损伤闽值。损伤形态指当50ps普遍发生熔化，沸腾和破碎，当脉宽增加到长脉冲时损伤阂值逐渐减小，热烧蚀占主要机制，这一机制以碰撞电离和多光子电离，及等离子体形成为主。理论模型建立在多光子电离和雪崩电离产生电子的基础上，理论计算与实验结果相一致。 2000年，Adrian Dragomir等人采用飞秒真空脉冲激光作用在三种熔融硅和一种石英样品产生非线性吸收，测量熔融硅双光子吸收TPA系数值取决于这类样品，其值是在1.50.1 1011cm/W和2.30.21011cm/W变化。对于石英晶体可以得到很小的值，所得的双光子吸收TPA系数值比以前更准确。 2002年，M.P等人用光谱仪和显微镜的方法研究激光辐照玻璃产生和形成Nd离子等离子光谱，得出在激光辐照作用下，随着Nd离子浓度的增长，硅酸盐玻璃的损伤面积扩大，损伤值减少，以及靶材离子光谱能量的变化;在多元素激光等离子体里与激光线性振荡、Nd离子的线性吸收、以及重组过程的生长紧密相联。 目前国内对K9玻璃诱导损伤进行了大量的实验和理论研究，测量出大量的实验数据和总结出许多理论结果。 在实验方面，胡建平，张问辉等人通过实验研究K9玻璃的激光损伤特性，结果表明K9玻璃一前后表面表现出不同的激光损伤，损伤闽值之比约为1:4，前表面主要表现为烧伤，基本为灾难性损伤，后表面主要表现为破斑，随着激光脉冲数呈指数增长后表面的激光损伤尺度增大;黄进，任寰等人，通过实验研究了三种不同波长的激光采用R:1单独对石英材料诱导损伤的行为，结果显示基频光对石英材料的损伤破坏小于倍频光，且倍频光的损伤机理表现为多光子吸收引发的雪崩电离，表面缺陷及杂质导致的热破坏为基频光的损伤行为。韩敬华，冯国英等人通过实验详细研究了K9玻璃在纳秒激光脉冲作用下产生的损伤形貌特点，整个损伤形貌表现为前端比较大，后端逐渐变小，成纺锤形，损伤区可分为损伤点轴向的丝状的等离子体通道、熔化、裂纹、裂纹末端的折射率变化四个区域。周明，赵元安，等人采用532nm激光，1064nm激光，及532nm激光和1064nm的结合三种方式对薄膜进行辐照，建立了其损伤闽值测试装置，对比损伤形貌损伤阂值。结果表明，双波长激光共同辐照下与532nm激光单独作用下的损伤形貌相似，诱发薄膜损伤532nm激光起主导作用，1064nm和532nm激光共同作用下薄膜的损伤闭值高于1064nm激光单独辐照时的损伤闭值，低于532nm激光单独辐照时的损伤阂值。姜雄伟利用激光玻璃在800nm，120fs，1KHz脉冲激光作用下的实验结果，对照射前后的玻璃进行ESR分析产生光致暗化的闭值，得出了光致暗化是由于玻璃内生成空穴捕获型色心的结果，认为产生的色心主要来源于玻璃的多光子吸收。夏晋军等人研究了多脉冲与单脉冲激光对ZF2玻璃的诱导损的方法。 李明，张宏超等人根据自由电子密度速率方程，推导了雪崩电离模型，自由电子密度与雪崩电离的关系式，理论上计算了导致空气，水光学击穿的损伤闽值，纳秒激光脉冲对纯净水作用，初始电子由多光子电离提供，随后雪崩电离占主导作用，短脉冲对纯净水作用，多光子电离为主要作用，在击穿过程中不考虑其他因素对损伤阂值的影响。张平，钱颜等人通过对高功率空气击穿的讨论，推导了雪崩电离机制，由自由电子速率方程得出雪崩光功率击穿闭值，理论上解释了高功率空气击穿雪崩电离占主导地位。夏志林，邵建达等人计算了影响薄膜的抗激光损伤闭值参数有:能带带隙、激光波长、初始电子密度、激光脉宽等，研究了多光子电离机制和雪崩电离机制在不同脉宽激光作用下损伤机制的竞争。结果表明，在雪崩电离建立的过程中平均电子能量不变，初始电子的浓度受光电离速度的影响，进而影响两种电离之间的竞争，激光脉宽越大，雪崩电离产生的电子密度越大，多光子离化产生的电子越小。韩晓玉，杨小丽数值计算了激光击穿大气的损伤阂值，研究表明:入射激光为ns量级，随着激光波长和气压的增大，大气的击穿阂值随之减小;气体中的初始电子对长波长入射激光的击穿闭值有明显减少作用，对短波长入射激光的击穿阂值没有影响;辐照时间越长，脉宽越宽，大气击穿的闭值越小。 K9玻璃是激光内雕的主要原料，在激光内雕K9玻璃中，激光的能量密度必须大于使玻璃破坏的某一闽值，而激光在某处的峰值功率密度与激光脉宽以及焦点处光斑的大小有关，脉宽越窄，光斑越小的地方产生的峰值功率密度越大。这样，通过适当聚焦，可以使激光的峰值功率密度在进入玻璃及到达加工区之一前低于玻璃的破坏闽值，而在希望加工的区域则超过这一临界值，激光在极短的时间内产生脉冲，其能量能够在瞬间使玻璃受热破裂，从而产生极小的白点，在玻璃内部雕出预定的形状，而玻璃的其余部分则保持原样完好无损，从而勾勒出预置形状的一种加工工艺，这种工艺加工出来的产品在市场上被称为水晶工艺品。另外K9玻璃是一种性能优异的光学材料，K9玻璃常用作激光加工系统中的光学元件，它在紫外光、可见光，近红外波段具有很高的透过率，在激光加工系统中K9玻璃被应用于光学仪器的窗口、棱镜、反射镜以及滤光片的基体，在激光器的传输光路系统中起着非常重要的作用，它的抗损伤能力直接影响激光输出功率和激光器的性能好坏。 激光技术在我国经过40多年的发展，取得了很多科技成果，大多数已用于生产实践，激光为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了技术难题，但仍存在的许多问题，例如，在激光加工光束质量方面提出了很高要求，在激光加工外围装置方面有待进一步提高。激光波长是影响激光加工质量的重要因素之一，不同波长的激光对材料的损伤程度不同，目前在大型高峰值功率固体激光装置的建造和运行过程中，影响其最大负载能力的关键因素是光学元件的损伤阂值。K9光学玻璃作为高功率激光器重要的光学元件，其性能的好坏直接关系到激光器功率输出的大小和光束质量。另外K9玻璃广泛地应用于激光内雕，激光刻蚀等激光加工工艺中，K9玻璃的好坏关系到激光加工的质量以及光学元件的使用寿命。因此研究单波长激光和双波长激光对K9玻璃的损伤很有必要。人们对K9玻璃的激光损伤已经进行了很长时间的研究，通过实验，理论分析，数值模拟，己经得出了大量的数据和理论模型，获得了很多的结论，但有许多问题还有待研究:如多光子吸收电离和雪崩电离的定量研究，很难把它们分清楚，新的激光波长、脉宽、材料条件下的激光损伤及探讨光学材料真正的本征损伤等，开展激光与K9玻璃损伤方面新的研究方向，为激光生产和加工方面的快速发展提供了理论依据。3.拟采取的研究路线 在认真查阅了国内外有关激光与物质相互作用、激光损伤K9玻璃机制的文献资料的基础上，结合当前的实验条件、研究热点以及自身特点确定了本文的研究内容，在研究中注重以简洁的物理概念和模型去研究脉冲串致K9玻璃损伤后的温度场分布和发展规律。本文采取的研究路线如下:1. 根据传热学、固体力学与有限元法，建立脉冲串激光辐照，K9玻璃的物理模型。2. 运用仿真软件Comsol Multiphysics模拟K9玻璃内部的温度场及应力场分布情况。3. 重点对K9玻璃经激光作用后产生的热力学效应进行研究，进而阐明其热及应力损伤机理。4.进度安排第1周：做开题报告；第2周第4周：查阅外文文献资料，写出文献翻译；第5周第7周：在提出论文研究方案的基础上进行必要的理论计算、推导及进行实验工作；第8周第10周：对理论计算及实验结果进行分析和讨论：第11周第13周：撰写论文初稿；第14周：导师审查论文、修改论文，最后定稿；第15周：评审； 第16周：答辩。5.文献综述理论模型与计算模型在较低功率和较长激光作用时间时,受辐照样品中的温度分布和应力分布可以解耦处理,即可先由导热微分方程求解温度场,再将各个时刻的温度场分别代入热弹性平衡方程求解应力场。在应变点(K9 玻璃对应粘度1013. 5Pas) 以下,玻璃表现为弹性体,这时使用热弹性本构关系。考虑厚l 、半径rs 的圆板样品,取柱坐标,坐标原点在样品的激光入射表面中心, z 轴与激光照射方向一致,Gauss型空间分布的激光束垂直照射到样品表面( z = 0) , t = 0时刻激光开始照射样品,初始时时样品温度均匀,记为T0 ,样品上、下表面为冷却边界,样品侧面( r = rs) 处绝热,并且为自由面,但环线r = rs 、z = l 的轴向位移为0。样品内部的温度场T( r , z , t) 满足热传导方程初始条件和边界条件为式中:为热扩散率, k 为热导率,为吸收系数, F0 为进入玻璃的激光光斑中心的通量, R 为Gauss 光束半径, T0 为初始温度, n 为表面法向, g ( t) 为归一化的随时间变化的激光波形函数,这里为单位阶跃函数。h 为表面换热系数,在真空环境中,玻璃只发生热辐射损失,故式中:为黑度,对K9 玻璃,0. 8 ;B 为Stefan2Boltzman 常数。轴对称热弹性问题的平衡微分方程为本构关系为几何变形关系为边界条件为式中:体积应变e =r +z 与体积应力=r +z 满足e = (1 - 2) / E;、u 分别为应力、应变和位移;下标r、z 为该量的r、z 分量; E 为杨氏模量;为泊松比。由于所讨论的问题具有轴对称性,我们取柱坐标下的矩形平面线性单元,用有限元ANSYS 程序对几种典型情况作计算。即取节点位置坐标为ri = ir、zj = jz ,每相邻四个节点组成一个单元,热产生率作为体载荷,取以节点为中心与单元体积一样大的体积元内热产生率的平均值加于该节点上。应力计算所用的单元节点与计算温度所用的单元节点一致,因而将节点上所算得的温度直接作为应力计算的体载荷。K9 玻璃的热物理参数为: k = 1. 5W/ (mK) ,= 0. 513mm2/ s ;力学参数为:= 8. 6MK- 1 ,= 0. 208 ,E = 78GPa 。应变点温度为800K(粘度1013. 5Pas) ,断裂阈值受表面处理情况、微观不均匀性等影响,有一定的不确定性,为便于说明,这里取压缩断裂强度C = 690MPa ,拉伸断裂强度T = 30MPa 。K9 玻璃对近红外激光的吸收系数与玻璃制备工艺有关,U.Broulik4 测得BK7 玻璃样品(类同于K9) 对波长1. 06m激光的吸收系数= 0. 460. 86m- 1 。我们在计算中取= 1m- 1 。在后面的计算中取玻璃样品厚度z =2mm ,样品半径rs = 20mm ,激光功率密度、幅照时间和光斑半径则是调整参数。实验方案实验装置如图1所示。将波长 一1 064 nm 的激光脉冲经分光镜(透射率与反射率比为4：1)分光后，一部分经焦距，一10 cm 的凸透镜聚焦在K9玻璃的前表面，脉冲聚焦后其焦斑半径式中：D一08 cm，为通光口径。另一束光经一衰减片后直接射人光束质量分析仪，光束质量分析仪将信号送人计算机，计算机进行运算分析得出光束的空间分布。激光器的出光频率为1 Hz。K9玻璃透射的能量经后方的分光镜分束后，经衰减片射人能量计，能量计将信号送人计算机进行实时测量。图1中采用的激光器为镭宝公司的SGR一10固体脉冲Nd：YAG激光器，可输出波长分别为1 064 nm 的基频激光和532 nm 的倍频激光，激光脉冲的脉宽(FWHM)r为10 ns。在实验过程中仅采用基频光，即1 064nin的光。激光器输出能量的稳定度小于等于3 。能量计为Ophir公司的PE25能量计。对于脉宽小于3O s的脉冲，其测量范围为200 1O J，精度可以达到3 。实验中使用的K9玻璃尺寸为8o ininx40 ininx 3 iniI1，表面粗糙度(RMS)小于10 nrn。激光脉冲在K9玻璃表面造成的损伤形貌是用基恩士公司的VHX一600显微镜进行观察和记录的。基恩士公司的显微镜分辨率为181O 像素，并可进行快速的3维显示。图1 多脉冲激光引发损伤的实验示意图计算结果取激光半径R = 1mm ,入射光强F0 = 5. 03GWm- 2 ,辐照时间为0. 2s , T0 = 190K,玻璃中温度和热应力分布如图2、3 所示。从所有应力分量在样品中的分布可见,最大拉伸应力为环向应力,且在表面最高,达到拉伸断裂强度值,压缩应力以中心处的径向和环向应力幅值最高,在样品中间( z = 1mm) 处达到最大值。因此,损伤由样品表面的环向应力控制,对所用激光功率密度和光斑尺寸,损伤优先发生于r = 1. 6mm 处。破坏特征以径向裂纹为主,从表面向内部开裂,近中心区域伴以剪切扭曲( r = 0. 6mm;rz = 13. 2MPa ,约为剪切强度的1/ 2) 。径向应力r 的幅值在光斑中心中间处最大( - 131. 5MPa ) , 在表面处幅值( - 22MPa) 远低于中间值,但最大径向压缩应力不到材料压缩强度的1/ 5 ,还达不到破坏的程度。其它光斑半径下的计算结果类似,样品的损伤主要受前表面( z = 0) 的环向拉伸应力 的控制,本文后面计算的损伤实际上都是由最大环向拉伸应力是否超过材料的拉伸断裂强度决定的。图2 t = 0. 2s 时玻璃样品中的温度场分布 (中心处最高为589K)图3 t = 0. 2s 时玻璃样品中的应力分布取入射激光束总功率P = 27. 77kW,照到样品表面上的激光光斑半径取为0. 25mm ,计算得到玻璃发生断裂所需辐照时间与光斑半径的关系如图4 所示。由图可见,光斑越小,达到损伤需要的时间越短。在双对数坐标中,光斑半径为0. 43mm ,斜率基本不变,可见损伤时间近似与光斑面积成正比,光斑越大,斜率越小,能量利用率越高。图4 样品损伤时间与激光光斑半径的关系总结与展望本文利用延时双脉冲辐照在介质上上，延长了激光对靶材的热作用时间及其影响的问题进行了初步的探讨。总结1、介质的热力学性质以及对激光的吸收机制是计算激光辐照温度场的关键，所以本文在总结激光与介质相互作用基本理论及其热力学性质基础上，结合辐射传热学的基本理论和有限元方法建立了双脉冲击穿K9玻璃后的温升计算理论模型。 2、研究了单脉冲及双脉冲击穿K9玻璃后的温度场分布，分析了不同的脉冲时间间隔和不同的长脉冲激光能量对K9玻璃温升变化的影响，并根据被击穿区域的时空演化规律分析了K9玻璃温度场变化的规律。数值模拟结果表明:长脉冲的能量越高，K9玻璃最高温度越高，双脉冲激光对K9玻璃的热作用效果越明显。这些研究还是初步的，希望这些工作能为激光与物质相互作用的研究提供些许的理论和实验依据。展望由于激光击穿介质的发展过程复杂多变，本文是在一个简化的模型下完成的一系列数值计算过程，尚有许多问题和研究工作需要探索、分析和解决。这里只列出一些待解决的问题和研究内容1、高功率激光击穿介质产生高温高压快速膨胀的爆轰波，建立对双脉冲维持激光等离子体爆轰发展过程的模拟，可以进一步精确分析激光等离子体的时空演化特征2、还需要从实验和理论上研究双脉冲击穿介质的过程，并从数学上进一步推导和证明，进行定量描述。3、现实环境复杂多变，需要研究在不同的压力、环境气体、激光参数、靶材的性质等条件下，激光等离子体的发展状况，建立完整的理论体系。参考资料与来源：1 罗福，杜祥琬，孙承纬. 光斑尺寸对K9玻璃近红外激光损伤阈值的影响J. 爆炸与冲击，2002，22(1)：1001-14552 张秋慧，冯国英，韩敬华等. 多脉冲激光对K9玻璃的表面损伤实验研究J. 强激光与粒子束，2008，20(1)：10014323 王洋. 双脉冲激光击穿K9玻璃后的热效应研究D，20124 戴罡. 毫秒脉冲激光致薄膜光学元件损伤特性测试与数值分析D，20105 韩昌佩. 激光超声波检测金属表面缺陷的理论及实验研究D，20126 师薇. 光学薄膜激光损伤的判识研究D，20127 王斌. 同脉宽激光致光学薄膜元件损伤特性和机理分析D20138 韩敬华. 激光等离子体效应对薄膜损伤特性的影响J. 光谱学与光谱分析，2012，32(5)