【《光源条件对光学材料表面损伤影响的仿真计算过程案例分析》2600字】

光源条件对光学材料表面损伤影响的仿真计算过程案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u1906光源条件对光学材料表面损伤影响的仿真计算过程案例分析 1268951.1激光能量对光学元件表面温度场分布的影响 26051.2脉冲宽度对光学元件表面温度场分布的影响 4131661.3光斑大小对光学元件表面温度场分布的影响 6激光辐照导致光学材料的变化在一定程度上可以认为是光学材料对能量的吸收导致，因此可以将这一复杂的过程简化为热能的分析。一方面由于辐照中心的高温度可能会引起材料融化等，另一方面，短时间内热量在材料内部无法大范围传递，极易形成巨大的温差这种情况下材料内极易产生热应力导致的损伤。所以，激光辐照时对材料的温度分布情况进行分析，也可以在一定程度上了解材料内的应力场分布，从而有效减少材料的损伤几率。利用Comsol软件对激光辐照下光学材料体内温度场分布进行了仿真计算。对于激光辐照下材料中可能出现的热效应，我们选取了高斯分布的脉冲激光作为光源，通过与光学材料作用来模拟材料内的温度场分布情况。为了简化模型，设定材料内光能向热能的转化率为100%，忽略不同方向上的差异，则材料吸收能量表达式为：（2-16）其中：（2-17）（2-18）（2-19）上式为吸收系数，为表面反射系数，为激光功率密度，，为激光功率。是高斯光束的空间分布，是高斯光束的时间分布，为高斯光束的光斑半径，和分别为圆柱坐标系下的径向位置和轴向位置，为二分之一脉冲宽度。热传导方程可以表示为：（2-20）其中为在时刻的温度分布，为入射激光的热源函数。1.1激光能量对光学元件表面温度场分布的影响激光对光学元件造成损伤的诸多因素中，首先要考虑的便是激光能量。长脉冲和连续激光系统中，由于激光辐照时间长使激光能量在材料内部积聚，光学元件大量吸收能量使自身被破坏。短脉冲激光系统中，因其脉宽小，功率密度往往较大，此时往往会在光学元件内部出现以场效应导致的雪崩电离为主的损伤。在实际应用中，损伤往往是由热效应和场效应共同作用导致。图2-1为不同能量密度的纳秒脉宽激光作用下KTP晶体的温度场分布。控制激光脉宽为10ns，光束直径为75μm保持不变，晶体密度为3.01g/cm3，吸收系数为0.01/cm，导热系数为13W/m/K。通过对比辐照面上的温度分布情况来研究辐照激光能量对材料损伤的影响。(a)激光能量密度：0.1J/cm2(b)激光能量密度：1J/cm2(c)能量密度：5J/cm2(d)能量密度：10J/cm2图2-1不同能量密度激光辐照下材料表面的温度分布图2-1(a)、(b)、(c)、(d)分别对应激光能量密度为0.1J/cm2、1J/cm2、5J/cm2、10J/cm2时激光辐照下KTP晶体表面上的温度场分布情况，分别对应的功率密度为107W/cm2、108W/cm2、W/cm2、109W/cm2。图中均为一个脉冲作用后的温度场分布，以不同能量密度的激光辐照后，晶体能够达到最高温度分别为303K、390K、775K、1256K。从每一张图中都可以观察到激光辐照中心处的温度比远离中心位置的温度要高，以5J/cm2的激光能量密度为例，中心处最高温度与周围最低温度的温差大约为480K。四幅图的横向比较中可以看到，入射激光能量密度不断增加，材料整体的温度也随之升高，并且材料吸收的激光能量与辐照的激光能量密度成正相关。激光能量密度为10J/cm2时，激光光斑中心处温度高于熔点，这时材料可能会产生不可恢复的烧蚀损伤。对基于纳秒脉宽激光辐照的KTP晶体损伤，激光功率密度存在明显差异，主要的损伤机制也不相同，具体如下：(1)时，以元件中的杂质的强吸收为主，能量的吸收使杂质熔化，材料没有明显的损伤；(2)时，杂质从熔化状态变为气化，生成蒸汽，较大的压力使其材料的折射率在不同位置时间不同程度的改变，极易引起波前畸变；(3)时，表面部分材料被电离形成等离子体，自由电子浓度升高，加剧了对激光能量的吸收，使光的透过率大大降低；(4)时，表面等离子体达到一定温度时将使激光穿过，入射到材料中，损伤以烧蚀为主，并且由于热爆炸等机制产生冲击波；(5)时，激光的强电场作用下，原子中的内层电子也发生了相互作用，非线性效应变得强烈而突出；(6)时，激光的强电场已经影响到原子核的稳定性，可能导致核能的释放。1.2脉冲宽度对光学元件表面温度场分布的影响根据前人研究的结果可以知道，激光的脉冲宽度越小，光学材料的损伤阈值就会越低[63-65]。这不仅是由于功率变大产生的影响，更重要的是不同量级的脉宽下占主导地位的损伤机理发生了变化。长脉冲激光之所以能够导致材料的损伤，是由于长时间的能量累积使材料内部升温，产生的等离子体使材料吸收效率大大增强，最终导致材料损伤；对脉宽为纳秒量级的入射光，造成材料损伤的主要原因是雪崩电离。图2-2模拟了不同脉宽的激光作用下KTP晶体的温度场分布，控制激光能量密度为10J/cm2，光束直径为75μm，通过改变激光脉宽分析不同脉宽对材料温度的影响。(a)激光脉宽为10ns(b)激光脉宽为20ns(c)激光脉宽为50ns图2-2纳秒量级的不同激光脉宽下的温度分布图2-2中，对于相同能量密度的纳秒脉冲，脉宽为10ns时材料中的最高温度为1230K左右，脉宽为20ns时材料中的最高温度为761K左右，脉宽为50ns时材料中的最高温度为480K左右。在相同能量密度下，激光脉冲宽度越宽，功率越小，单位时间作用在材料上的能量越少，并且材料有更长的时间散热，因而脉冲宽度越宽，材料的温度越低。1.3光斑大小对光学元件表面温度场分布的影响光束质量对于光学元件激光损伤往往也存在一定影响[66]，因此实验中使用激光辐照时通常都会对光束质量有一定要求。光束的不均匀分布一般会使激光辐照范围下，能量在局部区域分布较多，超过材料的最大承受能力而导致材料损伤；另一方面，分布不均匀的光束容易导致光束传播过程中的出现畸变，在材料内部极易通过自聚焦效应形成丝状损伤。接下来讨论激光束光斑大小对于光学元件损伤的影响[67]，光斑大小会影响激光的能量分布。选用的光束为高斯光束，单脉冲激光能量为0.3mJ，脉冲宽度为10ns。图2-3显示了不同光束尺寸的激光作用下KTP晶体的温度场分布。(a)光束直径为25μm(b)光束直径为75μm(c)光束直径为155μm图2-3不同激光光束尺寸下的温度分布如图2-3所示，在其余所有参数保持一致时，光束直径为25μm的激光辐照下KTP晶体的最高温度高达6000K，光束直径为75μm的激光辐照下最高温度为948K，光束直径为155μm的激光辐照下最高温度为446K，在相同的激光能量下，光斑尺寸越大，激光功率密度越小，相同时间内材料温升越低，沿径向的温升也越低。另一方面光斑大小与材料内缺陷的大小的关系对材料损伤有重要影响，称之为光斑的尺寸效应。之所以光斑的尺寸效应会对材料损伤产生重要影响，主要是因为材料内部在加工过程