【《光源条件对光学材料内部损伤影响的仿真计算过程案例分析》3000字】

光源条件对光学材料内部损伤影响的仿真计算过程案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u4932光源条件对光学材料内部损伤影响的仿真计算过程案例分析 1290741.1激光能量对材料内部温度场分布的影响 142841.2脉冲宽度对材料内部温度场分布的影响 5197601.3激光光斑直径对材料内部温度场分布的影响 11入射激光辐照在光学材料表面后，会在材料体内进行热扩散，为了更好地了解入射激光能量在光学材料内转化为热能后的温度场分布情况，利用Comsol仿真软件对材料内部的温度场进行了仿真，给出了沿激光传输方向材料横切面的温度分布，并进行了相应分析。1.1激光能量对材料内部温度场分布的影响为了清晰观察到材料内的温度变化情况，设置材料半径为8μm，，脉冲宽度为6ns，光束半径为1.5μm。由于激光脉宽为纳秒量级时轴向温度变化范围有限，因而将材料模型厚度设置为3μm。利用1J/cm2、5J/cm2、10J/cm2、20J/cm2能量密度的激光，计算所得的温度如图2-4所示。(a)1J/cm2(b)5J/cm2(c)10J/cm2(d)20J/cm2 图2-4不同能量密度激光辐照下材料内的温度分布使用1J/cm2、5J/cm2、10J/cm2、20J/cm2四种激光能量密度对材料进行辐照，一个激光脉冲作用后，材料能够达到的最高温度分别为386K、726K、1180K、1857K。发生温度变化的区域大于入射光束尺寸，这是由于入射光束为高斯光束，中心处能量较高，边缘能量较低，材料中出现热扩散导致。对激光辐照后材料内的温度变化情况进行了追踪记录，以能量密度为1J/cm2的辐照激光为例，图2-5为一次激光辐照下不同时刻（t=5,10,20,50ns）材料内温度分布计算结果。图2-5不同时刻材料内温度分布计算结果（1J/cm2）对于脉冲宽度为6ns的激光，在3ns时材料内的温升达到最大，随后最高温度逐渐降低，温度沿径向的辐射较弱，在100ns的时间范围内，发生温度变化的范围在径向没有明显变化；而在轴向即沿激光辐照方向，发生温升的范围随时间逐渐扩大。图2-6不同时刻材料径向的温度分布从图2-6中可以清晰地观察到材料径向的温度场分布随时间的变化情况。首先，从温度分布与径向的关系可以看出，在各时刻温度场呈现类似高斯分布；材料内的温度在3ns时达到最大值，然后逐渐降低；另外，从图中可以看出，材料发生温度变化范围的直径明显大于5μm，即大于入射光束尺寸。图2-7材料沿激光传输方向在不同时刻温度分布计算结果图2-7为材料沿激光传输方向在不同时刻温度分布计算结果，如图所示在100ns的时间内，材料在激光传输方向即轴向上的最高温度均出现在靠近材料前表面附近，当t=5ns时，轴向的最高温度为386K；t=20ns时，轴向的最高温度为328K；t=50ns时，轴向最高温度为316K；t=100ns时，轴向的最高温度为310K。可以发现，激光脉冲辐照结束后，材料轴向的最高温度随时间降低，并且轴向的温度变化范围随时间扩大，扩大方向主要沿激光传输方向，并且呈凹槽状。图2-8不同时刻材料轴向的温度分布图2-8为内材料沿激光传输方向上的温度场分布。从，材料轴向的温度整体升高，沿轴向温度梯度较大；随后靠近材料表面位置的温度逐渐降低，而材料内部的温度相对于的温度呈升高趋势，体现了激光能量沿轴向的传播。最终激光辐照影响的材料深度大约为1μm，而对于轴向距离大于1μm的部分，材料温度基本保持初始温度。1.2脉冲宽度对材料内部温度场分布的影响图2-9为脉冲宽度10ns、1μs和1ms的激光辐照下材料内的温度场分布。设置能量密度均为10J/cm2，高斯光束直径为5μm。由于激光脉宽为微秒和毫秒时轴向温度变化范围较大，因而将脉宽为1μs和1ms激光辐照的材料模型厚度设置为8μm。(a)脉宽为10ns(b)脉宽为1μs(c)脉宽为1ms图2-9不同脉宽的激光辐照下材料内温度分布图2-9中，脉宽为10ns入射激光辐照下材料内的最高温度为1110K，脉宽为1μs入射激光辐照下材料内的最高温度为385K，脉宽为1ms入射激光辐照下材料内的最高温度仅为301K，当脉冲宽度较大时，单位时间内到达材料内部的能量有限，因此不足以引起明显的温升，需要非常大的能量密度才能使材料达到熔点，而对于脉冲宽度较短的入射激光，达到材料熔点所需要的激光能量密度远远小于毫秒激光。图2-10为脉冲宽度10ns、1μs和1ms的激光辐照下材料表面径向的温度变化情况。(a)脉冲宽度为10ns的激光辐照下不同时刻材料表面径向温度变化(b)脉冲宽度为1μs的激光辐照下不同时刻材料表面径向温度变化(c)脉冲宽度为1ms的激光辐照下不同时刻材料表面径向温度变化图2-10不同脉宽激光辐照下各时刻材料径向的温度变化示意图图2-10中可以看出，激光脉冲宽度越大材料能达到的最高温度越低，这一点在图2-9中也已经证实；另外，比较三种激光脉宽下材料发生温度变化区域的尺寸，可以发现，脉宽为10ns激光辐照下材料发生温度变化区域的直径约为8μm，脉宽为1μs激光辐照下材料发生温度变化区域的直径约为12μm，脉宽为1ms激光辐照下发生温度变化区域的直径大于16μm，由此可见，激光脉宽会影响材料在径向上受到影响的范围，脉宽越小范围越小。图2-11、2-12、2-13分别为脉冲宽度不同的入射激光辐照下，沿着激光传输方向，材料在不同时刻的温度场分布。图2-11激光脉宽为10ns时，一个脉冲结束后不同时刻材料轴向温度分布图2-12激光脉宽为1μs时，一个脉冲结束后不同时刻材料轴向温度分布图2-13激光脉宽为1ms时，一个脉冲结束后不同时刻材料轴向温度分布图2-11、2-12、2-13分别显示了脉宽为10ns、1μs和1ms的激光辐照下不同时刻材料轴向的温度场分布情况。在10ns的激光脉宽下，不同时刻的等温线在很大尺寸上平行于材料表面，如果此时材料出现熔融或烧蚀，则会出现平底的烧蚀坑；在1μs和1ms的激光脉宽下，不同时刻的等温线主要以半圆弧为主，这种情况下的损伤形貌则以圆形损伤坑为主。(a)脉宽为10ns的激光辐照下不同时刻材料轴向温度变化(b)脉宽为1μs的激光辐照下不同时刻材料轴向温度变化(c)脉宽为1ms的激光辐照下不同时刻材料轴向温度变化图2-14入射激光脉冲宽度分别为10ns、1μs、1ms时，材料沿轴向的温度分布随时间变化示意图图2-14为沿激光传输方向，不同时刻材料温度的变化情况，每一条曲线均表示在同一时刻下材料沿轴向的温度分布。从图中可以看出，不同脉宽下材料沿轴向的温度变化趋势基本一致，脉冲结束后能够引起温度变化的范围有较大的差异，并且从图中可以观察到，脉宽为1μs的激光，在4.5μs以后轴向温度基本一致；脉宽为1ms的激光，在1.3ms以后轴向温度基本一致。1.3激光光斑直径对材料内部温度场分布的影响对不同光斑直径的入射激光辐照下材料内部的温度场分布进行了仿真计算。设置激光能量密度均为10J/cm2，脉度为10ns。图2-15为光束直径不同的激光辐照时材料的温度分布计算结果。(a)光束直径1.45μm(b)光束直径3.0μm(c)光束直径7.5μm图2-15不同光束直径入射激光辐照下材料的温度分布图2-15为激光光斑直径为1.45μm、3.0μm、7.5μm时辐照光学材料产生的温度场分布情况。对于三个光斑直径，材料内能达到的最高温度分别为1247K、1132K、1111K，并且沿材料径向的温度分布随时间发生变化，轴向温度分布也会发生明显变化。图2-16为不同光斑直径入射激光辐照下材料在不同时刻径向温度场分布图。(a)光斑直径为1.45μm(b)光斑直径为3.0μm(c)光斑直径为7.5μm图2-16不同光束直径的激光辐照下各时刻材料径向的温度分布图2-16显示了三种不同光斑直径的入射激光辐照下材料径向温度分布随时间的变化情况。三种不同光斑直径的激光辐照下材料沿径向的温度基本呈现高斯型分布。光斑直径为1.45μm的激光辐照下，材料发生温度变化的范围大约为直径1.5μm的区域；光斑直径为3.0μm的激光辐照下，材料发生温度变化的范围大约为直径5μm的区域；光斑直径为7.5μm的激光辐照下，材料发生温度变化的范围大约为直径12μm的区域。在100ns时间内，材料发生温度变化的范围均远大于入射激光束的辐照区域。(a)光斑直