（光学专业论文）长脉冲强激光对光学材料热损伤的研究.pdf

四川大学硕士学垃论文 长脉冲强激光对光学材料热损伤的研究 研究生：藉拖锋 光学专业 指导老师：蔡邦维教授 离能量激光对材料的热损伤在激光切割、焊接、打孔和军事等方面有着j # 常熏要的应用。利用激光热源把材料局部熔化或汽化，冷却融合称为激光焊接； 利用高速辅助气流吹除熔融或汽化的材料，形成切口或i l 径称为激光切割和激 光打窄。激光在火控系统中显示苗无与伦比的威力，裔能量激光武器可以在毫 移量级的时网内摧毁飞机、坦克，可使精确剖导导弹的搛测部位损坏而使武器 失效。国内外对短脉冲( n s ，f s ) 或连续脉冲激光对材料( 薄膜) 破坏特性的 研究报导较多，而毫秒( m s ) 篷级长脉冲破坏的报导较少。本文对长脉摔( 脉 宽l m s ) 强激光对毙学乖孝料和金羁耪料的热损伤进行了详细的硪究定量地描 绘出了材料的空间温度场分布并求出了材料在一定激光强度下的熔融阈值和 汽化阂值。论文工作取得的主要成果包括： 一、总结了影响激光热损伤形态和阂值的因素，对激光损伤机理作了分析。 二、给出了一维空间中激光热损伤的简化近似数学模型，并以此模型为基 础计算了金属材料铝、银、铜的温度场分布和熔融阈值与汽化闽值。 三、分柝了解析法求解热传导方程定解问题的局限性；研究了长脉冲激光 热损伤有限差分法数值计算，建立了具有普遮实硝性豹数学模型；一维空藏和 二维空闻中数值计算分别采用c r a n k - n i e h o l s o n 算法和交替方向隐式法( a d i ) ， 运用l u 分解保证了时间和空间上的二阶精确和算法的稳定性。 四、计算了光学材料硅、锗和盒属木孝料铝、银、铜、钛的空间温度场分布， 得趱了一维空润中材料的熔融阙毽和汽化阂魑，分柝了温度场舱分布和阙僮与 入射激光参数和材料参数( 照射时间、光束功率密度、热吸收系数、热传导率 等) 的关系。 五、激光热损伤有限差分数值计算中的难点和关键煮是两相界嚣的移动闫 题，本论文采用斯薷芬( s t e f e n ) 数学思想，给出了界谢处的离散化方程，在编 写的程序中细致地选取了界面处的网格，得到了合理的结果。 伤阈值 ! 一 1 r 2 四川大学硕士学位论文 t h et h e r m a ld a m a g er e s e a r c ho fo p t i c a lm a t e r i a s u n d e r m i l l i s e c o n d p u l s e dl a s e ri r r a d i a t i o n s m a j o r ：o p t i c s p o s t g r a d u a t e ：y a n f e n gj i a n g d i r e e t o r ：p r o f e s s o rb a n g w e ic a i a b s t r a c t n et h e r m a ld a m a g eo fh i g he n e r g yl a s e rh a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni nm o d e r n t i m e si n d u s t r ya n dm i l i t a r y 1 1 1 et e c h n i q u eo fu s i n gl a s e rt h e r m a ld a m a g et om e l to r b o i la w a yp o r to f m a t e r i a l sa n dt h e nc o o l i n gf u s ei sc a l l e dl a s e r j o i n t i n g h i g h - s p e e d a s s i s t a n ta 1 1 咀o wb l o w st h em e l t e do rb o i l e dm a t e r i a l si no r d e rt of o r mi n c i s i o no r a p e r t u r e ，w h i c hi sd e f m e dl a s e ri n c i s i o no rl a s e rs t i l e t t o l a s e rh a si n c o m p a r a b l e p o w e r i nw e a p o n m a n i p u l a t i v es y s t e m ，h i g hp o w e rl a s e rw e a p o nc a l ld e s t r o ya i r p l a n e o rt a n ki na m i l l i s e c o n d ，a n dc a nd e m o l i s ht h ee x p l o r i n gp o r t i o no f t h em i s s i l eb e i n g a c c u r a t e l yc o n t r o l l e da n dg u i d e d m a n yd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h e r sh a v e i n v e s t i g a t e dl a s e rt h e r m a ld a m a g eu n d e rn a n o s e c o n d - p u l s e d , b u tt h e r eh a sb e e nf e w r e p o r to fl a s e rt h e r m a ld a m a g eu n d e rm i l l i s e c o n d - p u l s e dl a s e ri r r a d i a t i o n s 1 1 1 e t h e r m a ld a m a g eu n d e rm i l l i s e c o n d - p u l s e dl a s e ri r r a d i a t i o n sh a sb e e ni n v e s t i g a t e di n t h i st h e s i s i nd e t a i lt h et e m p e r a t u r eo fs o m em e t a lm a t e d a l sa n ds e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l sh a v eb e e nd e s c r i b e d ，a n dt h em e l t i n gd a m a g et h r e s h o l da n db o i l i n gd a m a g e t h r e s h o l dw e r ec a l c u l a t e d 1 1 1 em a i nr e s u l t sh a v eb e e ns u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 n ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ed a m a g ec o n f o r m a t i o na n dd a m a g et h e s h o l dh a v e b e e ns t u d i e d ，a n dd a m a g em e c h a n i s mh a sb e e na n a l y z e di nt h et h e s i s 2 as i m p l ea p p r o x i m a t em a t h e m a t i cm o d e lo fo n e - d i m e n s i o n a ll a s e rt h e r m a l d a m a g eh a sb e e nd i s c o v e r e d ，t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dm e l t i n gd a m a g et h r e s h o l d a n db o i l i n gd a m a g et h r e s h o l do f m e t a lm a t e r i a l sh a v eb e e na c c o u n t e d 3 1 1 圮a n a l y t i cm e t h o do f t h ep r o b l e mo f t h e r m a lc o n d u c t o re q u a t i o n sh a sf a u l t y i i i ，-_vi ， 窘 蓑 囊 g f i n e d a n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r e so rt h r e s h o l d sa n dp a r a m e t e r sh a v e b e e na n a l y z e d 5 n 圮d i f f i c u l ta n dp i v o t a lp r o b l e mo ff i m t ed i f f e r e n c em e t h o do ft h el a s e r t h e r m a ld a m a g ei sf l o m m gm t e r f a c e s m f e nm a t h e m a t i ci d e 船h a v e b e e na p p l i e d a n d t h ed i s c r e t ee q u a t i o mh a v eb e e ng a m e d a n dt h er e a s o n a b l er e s f l mh a v eb e e n e d u c e d t h cd a mo ft e m p e r a t u 豫a n dt l l e r m f l d a m a g et h r e s h o l df o rm e t a la n d s e m i c o n d u c t o rm m e r i f l s ，w t l i c hh a v eb e e nc f l c l l l a t e d i nt h i st h e s i s 。w i l lo f f e r e s s e n t i f la c a d e m i cf e f e f e n c e k e yw o r d s ：m i l l i c o n d p u l e dl a s e r , m e r m f ld a m a g e ，n u m e r i c f la n a l y s i s ，f i n i t e d i f f e r e n c c ，d a m a g et h r e s h o l d ，k， 、 r 、 | 、 j 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 激光对光学材料损伤的概述 随着激光技术的发展和激光器功率水平的提高，对光学材料抗激光能力的 要求也越来越高。当一种新材料和新元件投入使用之前，对抗激光破坏能力的 估计或测定已是必不可少的程序。激光损伤研究的目的主要有两点，一是探讨 损伤机理，对激光损伤与材料性质、结构、成分、制备工艺和加工方法等因素 的关系进行系统的研究，并对激光波长和脉宽等因素对损伤的影响进行探讨， 从而引导人们去发现更好的材料品种、制备工艺和加工方法；二是从实际应用 出发，以实验室条件模拟实际使用情况，测定损伤数据，研究特定情况下经典 元件的损伤规律，为使用者提供参考。 激光对光学材料的损伤是一个复杂的过程，它由激光参数和材料性质两方 面决定。不同的激光参数条件( 波长、脉宽、偏振状态、光斑尺寸等) 对同一 种物质会产生不同的损伤结果，同一激光参数条件作用下不同性质的材料也会 出现不同的损伤情况。就损伤过程而言，损伤又包括多方面的作用机理，有光 熟作甩、光化学作用、光电作用和等离子体作用等，这些作用都在很短时间内 产生，进一步增加了研究的难度。 1 2 光学材料激光损伤的定义和分类 广义上讲，光学材料的激光损伤是指由于激光的作用使材料的性能或者结 构发生的可观察到的变化。激光损伤阈值的定义通常有两种：一是传统的用升 降法测量的定义，取不造成破坏的最大能量密度值与造成破坏的最小能量密度 值的平均值作为损伤阈值，对应于5 0 损伤概率；另一种是在对测试结果进行 统计分析的基础上，取对应于零损伤几率、即能够使光学元件损伤的最小能量 密度值为损伤阈值。本文采用第一种定义。 根据激光功率密度和能量密度的不同，激光损伤可分为功率损伤和能量损 伤两种，前者指高功率短脉冲的激光电场效应引起的损伤，多以炸裂损伤为主； 后者指长脉冲和连续激光的高能量引起的热效应损伤，多以热熔损伤为主( 根 据国际组织制定的激光损伤测试的标准方法一i s 0 1 1 2 5 4 。激光按脉宽可分为 四类：超短脉冲，脉宽l 3 n s ：短脉冲，脉宽l o 3 0 n s ：长脉冲，脉宽0 2 四川大学硕士学位论文 l m s ：连续脉冲) 。 从材料的损伤形式上又可分为体损伤和面损伤两种，材料的表面损伤阈值 一股都低于其体损伤阈值，最多可相差一个数量级左右。在激光作用下，光学 材料表面损伤和体损伤各有特点。 1 2 1 表面损伤 激光导致光学材料表面损伤的原因比较复杂：一是材料表面所含杂质；二 是在抛光过程中表面产生的许多缺陷和微裂纹，以及包含在其中的抛光磨料残 余；再则因表面暴露在空气中，易吸附空气中的杂质、水蒸气等而被污染，这 些因素都引起表面损伤闽值的下降。通常元件表面激光损伤总是伴随着等离子 体闪光的出现，这表明在激光辐照区产生了电子崩击穿。从表面损伤形貌来看， 杂质和缺陷对激光的吸收事实上起了主要作用。波长1 0 6 u m 的脉冲激光对白宝 石、钛宝石晶体的表面损伤过程中【2 3 】，正是由于杂质吸收产生的热熔化和等离 子体喷射引起了材料表面的损伤，其阈值大大低于体损伤阈值。b l o e m b e r g e n l 4 1 曾指出，块体光学材料的表面损伤阈值可降至其体损伤阈值的1 2 1 1 0 0 。 t 2 2 体损伤 光学材料的体损伤以炸裂破坏为主。激光束照射到材料内部，焦点处的功 率密度很高，引起强烈的非线性吸收，导致多光子电离，形成等离子体。等离 子体迅速膨胀和材料局部升温导致的热膨胀在辐照焦点处引起极大的热应力， 当此应力超过材料的断裂强度时，便产生炸裂破坏。如果材料中含有杂质，尤 其是金属颗粒杂质，它对激光有强烈的吸收，更容易造成材料的炸裂破坏。此 外当激光功率密度较高时，还常出现由激光束自聚焦效应引发的细丝形炸裂破 坏。 1 3 国内外研究现状 国内外通常在激光束的功率密度i 及其作用时间t 组成的i - t 平面内来研究 各种不同的破坏效应呻3 ，将i - t 平面划分成三个区域：强冲击波区、烧蚀区和 非穿孔区。 ( d 强冲击波区即激光束的功率密度i 大于1 矿l o c m 2 ，脉宽t 小于l o u s 。 这样一束激光引起靶材表面产生由激光维持的燃烧波( l s c w ：l a s e rs u p p o r t e d c o m b u s t i o nw a v e s ) ，或者是由激光维持的爆轰波( l s d w ：l a s e rs u p p o r t e d 2 l l 1 、 l 、 峨 j 四川i 大学硕士学位论文 d e n o n a t i o nw a v e s ) 。在靶材内部产生一冲击波，该冲击波可能造成层裂等材料 破坏或者冲塞剪切等结构破坏效应。近2 0 年来，人们对于l s c 波和l s d 波进行 了许多实验和理论研究“。30 描述激光一靶相互作用过程的效应由一冲量耦合系数 ( i m p u l s ec o u p l i n gc o e f f i c i e n t ) 巴表征： c 庸= 【i o d , li d t = , s 目 ( 卜1 ) 式中p a 是靶表面的压力，j 是传给靶的总冲量，e j 是入射激光的能量，己的单 位是d y n e w 。 1 9 6 6 年，l a v r r e n c el i v e r m o r e 实验室的g r e g g 和t h o m a s “1 首次用红宝石巨 脉冲激光辐照不同材料，测出了靶材上获得的压力，并估算出靶材内引起的激 波最大压强为6 0 i o o g p a ( 1 大气压= 1 0 5 p a ) ，并有可能达到1 0 0 0g p a 。随后， l a r s o n 嘲和s t e v e r d i n 9 9 1 等多人从军事应用出发，迅速从理论和实验上对冲量耦 合系数进行了系统的研究。尤其是最近几年，发展了各种不同的测试技术，如 单摆法，l t f o s ( 1 u m i n o s i t yt i m e t o f l i g h tt e c h n i q u e ) 技术，以及机电冲量 计和悬浮冲量计法，并且直接从流体力学计算、比例模型、原子分子物理计算 以及靶材所处的不同环境来研究冲量耦合系数。p h i p p s 等人 在真空环境下， 对2 7 种不同材料用脉冲的k r f ，h f ，c 0 2 激光，脉宽为2 2 n s 2 u s 范围内进行了5 个系列的实验，测得了2 0 0 0 个实验数据，入射激光束的功率密度为5 i v l w c m 2 5 0 g w c m 2 范围，最后拟合出经验公式： a = 6 0 石户 ( 1 - 2 ) 其中c m ，i ，五，f 的单位分别为d y n e w ，w c m ，c m ，s ，这里仉一0 3 0 0 3 ， b o = 5 6 6 5 。 针对高强度的脉冲激光的破坏效应一层裂破坏，1 9 6 9 年，a n d e r h o l m l l 0 1 用脉 宽为1 2 n s 、能量为7 j 的红宝石激光辐照0 5 m m 厚的铅靶上，首次观察到激光引 起材料的层裂现象；7 0 年代后期，我国的科学工作者也给出了关于激光引起靶 材层裂的一维和二维流体弹塑性数值分析，并且在最近几年也相继观察到短脉 冲激光引起金属材料的层裂现象，还发现应变率高达1 0 ”s1 。 烧蚀区功率密度i 1 0 8 i r c m 2 长脉冲或连续激光束辐照到固体靶材上 时，一般不会出现等离子体点火和产生激光维持的吸收波( l s a w ，包括l s c w 和 l s d w ) 。低强度激光柬对靶材的破坏主要是热烧蚀和热应力引起的( 与应力波的 冲击破坏性质不同) ，因此，热耦合效应在激光一靶的相互作用中起着重要的作 3 四川大学硕十学位论文 用。以c 。= ( 卜r 0 ) 来表征热耦合效应，c 。称为热祸合系数( t h e r m a lc o u p l i n g c o e f f i c i e n t ) 或能量吸收系数，艮是靶材对激光束的反射系数。热耦合系数与 靶材热物理性质、靶面状态、激光功率密度、波长及脉宽等多种因素有关。金 属可以看作是理想的良导体，在未发生固一液等相变时，可以由经典的 d r u d e l o r e n t z 理论得到热耦合系数，由h a g e n r o b e n s 公式表示 长脉冲激光束引起靶材破坏主要是熔融和汽化等热烧蚀破坏效应，人们关心 的是熔融和汽化的速度以及固体靶的剩余厚度和它的温度场分布。为了对激光 的热烧蚀破坏效应作大型数值研究，多年来，国内外先后发展了一些激光热烧 蚀效应的物理模型和程序软件包。c h a n 和m a z u m d e r “”用一维定态模型将固一液一 汽作统一处理，将固一液边界处理为传统的s t e f e n 问题。而液一汽边界比固一液 边界要复杂得多，该边界不是理想的几何边界，而具有几个分子自由程厚的 k n u d s e n 层，跨过k n u d s e n 层时，温度、密度、压力等都是间断的，c h a n 和m a z u m d e r 用m o t t s m i t h 形式解来处理该间断层，这样可以方便地获得熔化和汽化的速度 等各物理量的解析解。刘成海等“2 1 用一维或二维多相流体力学模型( 状态方程 是多相的) ，计算了汽化时的部分电离过程。 非穿孔区在连续激光照射时，靶材内因温度的非均匀性而在材料内产生 一定的热应力。由热应力造成靶材破坏所需的激光能量密度阈值比纯粹由穿透 效应( 即因熔化和汽化造成的穿孔) 造成材料破坏的相应阈值低的多。g a r r i s o n “3 1 最先从事这方面的理论分析工作。他用热弹性理论，在不考虑热一力耦合的情况 下，假设材料内热应力( 热拉力) 达到屈服强度时材料就破坏了，得出热应力 的破坏要容易的多。i m b r i e 等人“”从热弹塑性板理论出发，使用b o d n e r p a r t o m 本构模型，考虑了几何非线性、横向惯性和转动惯量效应，用有限单元法计算 了热应力分布规律。陈海韬等人“”对受拉伸载荷的l y l 2 铝板被c 如激光连续照 射时的热机械响应进行了初步的实验和理论研究。他们测得了在不同的拉力和 不同的激光功率密度下材料的断裂时间，结果表明，试件的断口由三个区域组 成：激光辐照区、热影响区和正常组织区。国内“还进行了关于连续激光对材 料和结构破坏的大型演示实验，研究了板、柱壳受到各种形式加载下结构的破 坏模式。 目前国内外对短脉冲和连续脉冲激光对光学材料的损伤机理和损伤效应的 研究相对全面和深入，而连续脉冲激光热熔融损伤的理论和损伤效应形态的研 4 r 冉 l j 四川大学硕十学位论文 究相对较少。 1 4 本论文的主要研究工作 长脉冲激光对光电材料的热损伤是一个复杂的过程，同时又被广泛应用于 工业与军事领域，光电材料的损伤状态和阈值，以及阈值与参数之间的关系是 应用中的关键。本论文主要进行的工作如下： 一、对激光损伤进行了概括性分析，讨论了激光参数和材料物理性质对激 光损伤的影响，分析了四种激光损伤机理一本征吸收、杂质缺陷吸收、电子崩 电离和多光子吸收。 二、探讨了激光热损伤问题的解析分析法，给出了一维空间中简化解析模 型，分析计算了多维空间中解析法的局限性。 三、对长脉冲激光损伤采用有限差分法进行了数值分析，应用热传导方程 建立了数值分析的数学模型，利用c r a n k n i c h o l s o n 算法和交替方向隐式法 ( a d i ) 把抛物型偏微分方程的求解转化为线形方程组的求解，运用l u ( l 一 下三角矩阵，u 上三角矩阵) 分懈计算由线形方程组转化成的三对角系统方程， 保证了时间和空间上的二阶精确，并且算法是无条件稳定。 四、描绘出了在激光作用下光学材料硅、锗和金属材料铝、银、铜、钛的 空间温度场分布，得出了一维空间中材料的熔融阈值和汽化阈值，分析了温度 场的分布和阈值与入射激光和材料参数( 照射时间、光束功率密度、热吸收系 数、热传导率等) 之间的关系。 五、处理了有限差分数值计算中两相界面移动的问题，提出了一种离散化 分界面附近网格的方法。 k # 乏 ” j 蕃 四川人学硕十学位论文 1 ( 2 3 参考文献 s t r k e b e r n h a r d t a ”l a s r ed a m a g et h r e s h o l dm e a s u r e m e n ta c c o r d i n gt oi s o 1 1 2 5 4 ：e x p e r i m e n t a lr e a l i z a t i o na t1 0 6 4m ”l a s e ri n c l u d ed a m a g ei n o p t i c a lm a t e r i a l s ：1 9 9 3 ，n i s t s p i e ，v 0 1 2 1 1 4 ，2 1 2 2 2 0 孙杨，李成富，张强。“白宝石晶体的馓光损伤”。中国激光，1 9 9 2 ( 1 9 ) ：8 6 1 y a n gs u n h u ig o n g “p o l a r i z e dl o n sf r e q u e n c yd o u t l l e dn d ：y a gl a s e ri n d u c e d d a m a g et ot i t a n i u md o p e ds a p p h i r e ”，s p i e ，v 0 1 2 1 1 4 ，1 9 9 3 ，1 6 6 b l o e m b e r g e nn a p p l o p t 。1 9 7 3 ( i 2 ) ：6 6 1 6 6 4 w e n d l a n d tbch n a s a n 7 4 - 1 6 1 8 8 ，1 9 7 3 k a ra ，m a z u m d e rj ja p p l ep h y s ，1 9 9 0 ，6 8 ( 8 ) ：3 8 8 4 3 8 9 1 y o na l i m e nm l a s e r - b e a mi n t e r a t i o n sw i t hm a t e r i a l s ：p h y s i c a lp r i n c i p l e s a n da p p l i c a t i o n s n e wy o r k ：s p r l n g e rv e r l a gp r e s s ，1 9 8 7 l a r s o nar l a - 5 6 1 9 1 9 7 4 s t e v e r d i n gb ，d u d e lhp ja p p lp h y s ，1 9 7 6 ，4 7 ( 5 ) ：1 9 4 0 1 9 4 5 a n d e r h o l mnc s c - 1 6 9 7 3 5 ( u n p u b l i s h e d ) ，1 9 6 9 c h a ncl ，m a z a m d e rj ja p p lp h y s ，1 9 8 7 ，6 2 ( i i ) ：4 5 7 9 - 4 5 8 6 刘成海。关吉利等，真空环境中激光与靶相互作用理论模型和激光热烧蚀。激光的 热和力学效应学术会议论文集，上海，1 9 9 1 g a r r i s o njn 心啦3 4 8 7 7 ，1 9 7 6 i m b r i epe ta 1 a i 从一8 9 - 0 1 8 1 1 9 8 9 陈海韬等力学学报，1 9 9 3 ，2 5 ( 1 ) ：1 6 2 1 陈裕泽激光辐照结构的热动力失效长沙：激光的热和力学效应学术会议论文集，1 9 9 3 ：1 2 7 1 3 7 6 ， t 尹 t 嘲旧 叫叫呻1 三呲 四川大学硕七学位论文 第二章光学材料激光损伤的机理 2 1 光学材料激光损伤的基本现象 。 2 1 1 激光参数对光学材料激光损伤的影晌 一、高能量激光和高功率激光 高能量激光束和高功率激光束对光学材料造成的损伤，在阈值、形貌和机 理等方面均有很大差异。高能量激光一般指长脉冲和连续激光，由于激光束作 用时间长，单位面积( e r a 2 ) 上的能量可达数百至数千焦耳，高能量激光通常引 起材料的热效应损伤，多以热熔融损伤为主。用波长为1 0 5 4 1 a m 钕玻璃长脉冲激 光( 脉宽t p = 2 5 0 1 x s ) 分别对g 。气和b ：2 样品的表面进行损伤，实验中发现样品 表面发出火星，并伴随有烟雾。这表面在长脉冲激光作用下，材料表面发生热 烧熔并伴有熔融物溅射出来。样品的激光损伤形貌如图1 i 所示，呈熔融烧蚀形 貌，说明在长脉冲激光作用下此样品发生了热损伤。 图1 1 长脉冲激光作用下样品表面的损伤形貌 高功率激光通常指短脉冲激光，脉冲宽度很窄( 1 0 s ) ，功率密度很高( 约 1 0 8 w c m 2 以上量级) ，它对材料的损伤过程很短，主要是激光的电场效应起作用， 多以炸裂为主。高功率激光对光学材料的损伤，往往起因于高电场导致的非线 性效应，如非线性吸收、非线性折射率和自聚焦效应等。 高能量激光和高功率激光对光学材料损伤的阈值差别很大，前者能量密度 高，而功率密度低，后者能量密度低，功率密度却很高。文献【l 】得到一个结果， 在1 0 6 胁波长激光对铂金钳锅玻璃的损伤实验中发现，引起玻璃破坏所需的激 光能量密度与其功率密度的乘积为一常数，说明在光学材料激光损伤中场效应 和热效应是相辅相成、共同作用的。 7 四川大学硕士学位论文 二、激光波长 大多数光学材料的激光损伤闽值随其波长的减小而下降，存在通常所谓的 “波长效应”，也就是说短波长激光易造成材料的损伤。但有些材料的激光损伤 没有明显的波长效应，而且有时随波长变短，损伤阈值反而增加。目前关于波 长效应的解释有两种理论模型：一种是电子崩理论模型 2 1 ，认为激光损伤阈值 随波长变短而稍有增加，在较长波长下激光损伤阈值与波长没有明显关系；另 一种是多光子电离模型【卦，认为波长愈短，光子能量愈大，电离效应和其他非 线性效应会表现的更明显，从而使激光损伤阈值下降。实际应用中必须测量不 同波长激光作用下的材料损伤阙值，以便了解什么样的物理过程在该种材料激 光损伤中起了主要作用。 表2 1k d p 晶体的激光损伤实验结果( 激光脉宽1 5 n s ) l波长啪损伤阈值j c m 2 1 0 61 2 6 0 5 3 22 9 0 | 0 3 5 58 4 上表是测量同一批k d p 晶体的损伤阈值。从结果可看出，k d p 晶体的损伤阈 值与激光波长有关，随波长变短，激光损伤阈值下降。说明在k d p 晶体中，激 光损伤主要是由多光子电离引起的。 三，激光脉宽 在强激光作用下，光学材料的激光损伤阈值与激光脉宽有明显关系，因为 脉宽越短，激光功率越高，激光电场效应对材料的损伤作用越大。大量实验数 据表明，光学材料的激光功率损伤阈值i ：随激光脉宽t 。的增大而降低，大致为 i 。o c t n ，n 值与激光对光学材料的损伤机制有关。根据目前常用的三种损伤机理： 电子崩电离、多光子吸收和自由等离子体吸收进行的理论计算旧，n 分别为： 一0 0 3 5 、一0 1 5 5 和一0 2 5 。一般来讲，短脉冲激光下( t 。 3 0 n s ) ，多光子吸收 电离是引起光学材料激光损伤的主要原因。对于长脉冲激光，等离子体吸收则 是主要原因。 四、多脉冲激光 多脉冲激光对光学材料的损伤规律与单脉冲情形有很大差别。一般来说， 随着激光脉冲增加，激光损伤阈值变小。一般材料在制备和加工过程中，存在 8 四川大学硕士学位论文 大量微观缺陷，具有比材料本征吸收大得多的吸收率，在材料与激光脉冲相互 作用的过程中，缺陷吸收占主导地位，缺陷吸收在材料内形成局部高温，局部 高温达到一定程度，就会造成材料缺陷处首先发生熟爆炸、电子崩电离等过程， 从而使缺陷进一步扩大。值得注意的是，每个激光脉冲强度都不能低于一个最 小值，否则材料中不会产生微观损伤，再多的激光脉冲也不能发生宏观损伤。 随着激光脉冲的增加，多脉冲激光损伤阈值会明显下降，而且随着脉冲数的增 加，此阈值下降的幅度越来越小，最后趋于一个渐近值。多脉冲激光损伤存在 一个积累方程：j 产j 。n “，式中j 。是单脉冲损伤闽值，n 是脉冲个数，j n 为n 个 脉冲的损伤阈值，s 是与材料特性有关的参数。 五、连续波激光 就连续波激光对光学材料的损伤而言，光学材料对激光的吸收系数是最基 本的参数，其中表面吸收占主导，表面吸收可能超过体吸收一个数量级。这种 吸收机制与表面吸附的水、表面沾污的其他物质以及位错、偏离化学计量比有 关旧。表2 列出了沉积水分对于红外波长激光的吸收系数。元件表面的总吸收系 数被认为是各种形式结构缺陷所产生的吸收系数的简单叠加。 表2 2 水对红外波长激光的吸收系数 激光工作物质波长u m吸收系数c m 1 c 侥l o 68 2 9 c o5 2 5 2 3 2 d f3 8 1 2 9 i f2 88 9 7 1 n d +1 0 60 1 当激光照射光学材料时，由于光强分布不均匀和非均匀吸收，引起材料内部 的温度剃度和热应力，尤其是杂质附近出现较大的温度剃度和相应的热弹性应 力，使材料产生热畸变。当热应力逐渐积累，由于材料的热稳定性不同，将出 现两种破坏形态：一是材料的热稳定性好，虽然材料表面吸收激光能量，温度 升高，但由温度变化产生的热应力不能使材料炸裂或解理，而只能继续使材料 升温发生熔融破坏；二是材料稳定性差，激光产生的热应力达到一定程度，就 会使材料发生炸裂或解理，这时材料本身的温升尚未达到软化或熔融温度。 用强度为1 2 0 0 w c m 2 的连续c 0 2 激光对石英玻璃和k 9 玻璃进行损伤实 9 四l i i 大学硕十学付论文 验。激光非均匀加热石英玻璃产生热应力，随着激光照射时间的增加，热应力 的积累如图1 2 ：，图1 3 是激光对k 9 玻璃的热冲击造成的龟裂损伤形貌。 “) 照射之前( b ) 照射0 j i( c ) 照射l l 图1 2 1 2 0 0 1 v c m 2 的连续c d 2 激光照射下石英玻璃中 热应力的积累 图1 3c o , 连续激光对k 9 玻璃的热冲击造成的 龟裂损伤形貌 六、光斑尺寸 改变激光光斑大小，材料的激光损伤闽值将发生明显变化，即出现所谓的 “光斑效应”。一般随着辐照激光束光斑的变小或变大，光学材料的激光损伤阂 值单调增加或降低。目前普遍认为这种现象是杂质吸收引起的，由于光学材料 在生长和加工过程中包含了许多杂质，对吸收激光起了很大作用。改变入射激 光束的光斑尺寸，将改变杂质缺陷落入辐照区域的几率，从而改变了激光损伤 闽值。光斑越大，杂质缺陷落入辐照区域的几率越高，损伤阈值就越低。 表2 3 不同光斑尺寸的o m 连续激光对红外窗1 3 材料的 l 光斑面积c m 20 0 2 3 5 60 1 5 90 2 8 31 2 9 6 i k 27 4 2 85 9 7 34 5 9 42 7 0 1 1 0 四川大学硕士学位论文 l 材料 z f 24 6 6 93 6 1 53 0 0 62 3 9 2 i f 37 0 0 3 46 0 1 34 2 4 42 7 0 8 七，激光模式 激光模式对激光损伤阂值也有影响，多模激光的损伤阈值要比单模的低得 多。激光束偏振状态以及入射角的不同，损伤阈值也可能会有很大不同脚。另外， 当一束平行激光入射至q 透明介质中，其后表面较前表面更易发生损伤，这个现 象可用费涅尔发射的理论解释”1 。 以上分析了各种激光参数对光学材料激光损伤的影响，这是一个比较复杂的 问题，不同的实验条件会造成很大的差别，较难建立起重复性好、准确的数量 关系，通常的研究结论都是定性的或半理论性，并且带有很大的局限性。 2 1 。2 光学材料物理性质对激光损伤的影响 光学材料的物理性质对其激光损伤有明显影响，目前对它们之间的关系还没 有完全了解，但有些研究结论还是得到了较普遍的肯定。 一，材料的热和机械性质 由热应力所引起的激光对材料的损伤，可以用材料的抗热冲击阻抗l c i l 来表 示： 如：兰f ! 二坐 ( 2 1 ) “ 口e 式中的s 为机械强度，是热导率，分别为热膨胀系数、弹性模量和泊松比。 越大表示材料的激光损伤阈值越高，抗激光破坏的性能越好。从上式可以看 到材料的热膨胀系数、热导率、机械强度等物理性质与其激光损伤阈值有较密 切的关系 。 通常来说，材料的热稳定性好，其激光损伤阈值就高。影响材料热稳定性的 具体因素有材料的抗拉强度、弹性模量、热导率、热容、密度及热膨胀系数， 其中以热膨胀系数的影响为最大，热膨胀系数越大，热稳定性愈差。另外，激 光损伤闽值与材料的熔点、密度等物理量也有关，熔点越高，密度越大，则激 光损伤阈值越商。 二、材料的激光吸收系数 强激光与光学材料相互作用，实际上就是材料吸收激光产生物理变化的过 四川人学硕士学位论文 程。材料对激光的吸收系数越小，激光的损伤阈值越高，吸收系数越大，损伤 阈值越低。 三：材料的纯度和光学质量 材料的制备，尤其是用于激光器件的光学材料，从原料开始就要求具有极高 的纯度，激光基质和光学元件材料中任何有害杂质和缺陷的存在都会使其激光 损伤阈值明显下降，严重时会造成他们的炸裂破坏，使整个激光系统毁于一旦。 此外，光学材料在制备加工过程中还会掺入或产生杂质和缺陷。一般情况下， 杂质缺陷对激光的吸收在材料破实验数据表明，1 0 6 啪、l 坏中占主导地位，材 料中杂质缺陷的密度越高，起激光损伤阈值越低。n s 的脉冲激光对k o p 晶体的 平均损伤阈值约为8 j c m 2 ，此损伤阈值强烈依赖于晶体中的含杂质量，含杂量 高于1 0 1 的k d p 晶体的损伤阈值是含杂量为1 0 晶体的1 3 。 材料的光学质量差，如含有细条纹、散粒颗粒和剩余应力等，都会使其激光 损伤阈值下降。光学材料好的材料，其损伤阈值也高。 四、材料的非线性折射率系数 材料的非线性折射率系数包括r l 。( t ) ，n 2 ( s ) 、n ：( e ) ，即热、电致伸缩和 非线性极化三个部分。对于长脉冲激光和连续激光的损伤，热效应是引起材料 破坏的关键，因此热致伸缩系数i 1 2 ( t ) 对材料损伤有很大影响。热致伸缩自聚 焦正是引起钕玻璃丝状破坏的最重要原因。一般认为，随着热致伸缩n 2 ( t ) 的 增大，损伤阈值明显降低。对于微秒以下的短脉冲激光，主要引起材料的电致 伸缩自聚焦效应，激光电场效应起主要作用，随电致伸缩系数n 。( s ) 的增大， 损伤阈值降低。纳秒级激光脉冲所引起的损伤主要取决于材料的非线性极化系 数r l ：( e ) 。一般情况下，材料非线性折射率系数愈小，其损伤阈值愈高。但由 于材料的损伤闽值除了与非线性折射率系数有关外，还要取决于材料的其他物 理性能，所以有时情况并非如此。 2 2 光学材料激光损伤机理 激光损伤与个复杂_ 的激光与光华材料相互作用的问题，它涉及到光热、光 电、激光参数、材料性质、非线性吸收、电场作用和等离子体产生等物理过程。 目前，人们对国内外大量的实验和理论结果进行分析，总结出以下集中主要的 激光损伤机制： 1 2 四川大学硕士学位论文 2 2 1 本征吸收 激光对光学材料损伤的直接原因是材料的本征吸收，但透明材料对激光的 本征吸收很小，不足以直接导致破坏。而多光子吸收、电子崩电离和杂质缺陷 破坏等就成为激光对光学材料破坏的只要机制。 表面吸收的光学材料，设材料的吸收系数为盯，入射激光能量密度为j o ，通 过厚度为d 的距离后，光强降为 j = j o ( 1 一r ) 1 - e 一“j ( 2 2 ) r 为光学材料表面反射率。设c 为光学材料的克分子热容量，p 为材料密度，m 为克相对分子质量，则吸收激光引起的表面层温升为 a t * 山( 1 一r ) 础c p c ( 2 - 3 ) 当光学元件的表面温度达到材料的极限温度，则发生破坏，这个极限温度可能 是材料的熔点，也可能是热应力破坏温度。 体吸收材料的本征吸收可以认为是均匀的。材料表面由于吸附和结构异化等 因素，会产生附加的表面吸收，这使得光学材料的热破坏更为容易，但机理更 为复杂。t 当a 为高斯半径，瞬时温度场为：n ” 舭，f ) = 而勒d 丢一南 t ， i o 和山分别是x = 0 ，r = 0 时的功率密度和能量密度，d t 为热扩散长度，口为 吸收系数。对于一般材料，口= 2 z d r 2 。可得出：激光的能量密度j o 和材料的 吸收系数越大，温升越快；材料的热扩散长度越大，温升越慢。 2 2 2 杂质缺陷吸收 透明材料对激光的本征吸收很小，不足以直接导致破坏，所以材料的损伤一 般是通过杂质缺陷和非线性吸收来实现的。缺陷是材料结构中最复杂的成分， 从几何形态上看，缺陷可以是空洞和节瘤，从其功能上看，应包括：结构缺陷， 杂质缺陷、化学缺陷、电致缺陷等，鉴于缺陷的组分形状千变万化，所以处理 起来相当困难，对于杂质缺陷一般理解为吸收缺陷，为了便于处理把杂质缺陷 当作小球来处理。杂质缺陷破坏机理的半定量理论有很多种，其中比较完善的 四川大学硕士学位论文 是h o p p e r 和u h l m a n n 9 1 通常杂质尺寸越小，杂质颗粒引起材料损伤的可能性越 小。但是如果杂质太大，吸收的光能不足以使杂质升温到一定值时，也不易造 成损伤。所以，在一定的激光参数( 脉冲、波长和能量) 实验条件下，存在一 个最有害的杂质尺寸值，使材料最易受到激光损伤。计算表明在纳秒脉宽范围 内，最易产生激光损伤的杂质尺寸是亚微米量级。 相对于杂质吸收，基质的吸收可以忽略，热传导方程具有以下形式“”： 上里：三旦f r ：丑1 + 皇( 0 ， 口) ( 2 5 ) z iar | 却、a r ) k s 、。 去鲁专* 刳 口，e ， z ( ，) = 瓦p ) = 瓦 ( ，= 0 ) ( 2 - 7 ) 这里下标i 和h 分别表示杂质和基质，a 为杂质小球半径，假设吸收杂质为 球形，吸收截面为盯。 杂质热传导方程的精确解为“”： r = 瓦3 0 t 叩t 百k , * 斗警矿蔫箦篙器翻 ( 2 8 ) 这里，= 与，c = 1 一等，b = ( 巧k ) ( 石肌) 啦 从上面的方程可以看出，由杂质吸收引起的材料温升与激光的强度分布、 杂质吸收截面和激光脉冲宽度密切相关，从材料损伤角度出发更关心r = a 附近 的温升，当该处温升达到临界温度t 。时，对应的激光能量i 。为材料的损伤阚值。 杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个过程从杂质缺陷内