KDP晶体表面微缺陷及其修复对抗激光损伤能力影响研究

摘要

为了缓解人类所面临的化石燃料紧缺与环境污染严重的难题，世界各国正纷纷开展激光驱动惯性约束核聚变装置的研制工作，以求获得可控的清洁聚变能源。磷酸二氢钾（Potassium Dihydrogen Phosphate，KDP）晶体材料因具备独特的光学性能而被用来制作光电开关和倍频元件，成为当前激光核聚变工程中不可替代的核心光学元件。KDP晶体材料质软而脆、易开裂、易潮解、对温度变化敏感，是国际上公认的难加工材料之一。然而，超精密加工制备的晶体元件在强激光打靶过程中极易发生激光诱导损伤。针对晶体元件的激光损伤问题，尽管国际上提出了激光辐照预处理、精密微机械修复等新技术对之进行处理，大口径晶体元件的实际激光诱导损伤阈值仍远小于其理论计算值。当前 KDP晶体的低激光损伤阈值问题仍是激光核聚变装置输出能量提升的瓶颈难题。本文以KDP功能晶体超精密加工、激光预辐照、精密微机械修复过程中引入的微凹坑、划痕、微裂纹等微缺陷为研究对象，采用数值分析与激光损伤实验相结合的方法，深入开展晶体表面微缺陷及其修复对抗激光损伤能力的影响研究。
　　本研究主要内容包括：⑴基于Keldysh光致电离和电子衰减模型，分别结合当前国际上主流的碰撞电离模型，计算了KDP晶体非线性激发时自由电子密度演变过程。通过与已发表的晶体激光损伤实验结果对比，优选碰撞电离模型，由此建立了 KDP晶体材料激光诱导损伤阈值预测的理论模型。基于时域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）建立了微缺陷对入射激光传输性能影响的仿真模型，并验证了其可行性。⑵以晶体元件加工制备后表面形貌特征的检测结果为依据，分别建立了微凹坑、微裂纹和划痕三类微缺陷的 FDTD仿真模型，系统分析了微缺陷形状、结构参数、空间位置对入射激光传输性能的影响规律和作用机制。仿真结果表明：不同类型微缺陷通过对入射激光的调制会引起晶体内部不同程度的光强增强，尺寸范围在激光波长附近的微凹坑缺陷诱导的光强增强较强，锥形微裂纹通过“凸镜”聚焦与双内全反射可使光强增强因子（Light Intensity Enhancement Factor，LIEF）最高可达500倍。因强激光辐照下 KDP电介质材料非线性激发的光致电离率、碰撞电离率及电子衰减率均与激光光强有关，本文提出以晶体表面微缺陷诱导的光强增强为桥梁，通过建立带微缺陷晶体表面的激光诱导损伤阈值预测模型，定量解析了晶体表面微缺陷与其激光诱导损伤阈值间的映射关系。⑶采用不同方案检测了晶体元件单发次激光诱导损伤阈值，实验结果与所建立的光伤阈值模型预测结果吻合，证实了理论模型的适用性。基于微压痕与微铣削方法在晶体表面引入了塑性、脆塑混合及脆性微缺陷，对之进行激光损伤实验后发现：塑性缺陷对晶体抗激光损伤损伤能力的影响较小，而带微裂纹的脆性缺陷可将晶体的光伤阈值降低至无缺陷表面的28.9%，损伤点形貌与位置也进一步确认脆性破裂点是降低微缺陷表面抗激光损伤能力的主要因素。探究了 KDP晶体在多脉冲激光辐照下的损伤增长行为及内在物理机制，通过检测多脉冲激光下的损伤点形貌与损伤增长行为，并与理论分析结果对比发现，微裂纹诱导的光强增强与多脉冲激光辐照下的能量累积效应是长、短脉冲激光诱导损伤增长的内在物理机制。⑷提出采用球头微铣刀对微缺陷/初始损伤点进行修复去除，通过对比修复前、后微缺陷表面对激光传输性能的影响规律，揭示了微修复对抗激光损伤能力提升的修复机理。修复后晶体表面诱导的光强增强具有很强的宽深比效应，晶体微修复轮廓的宽深比必须设计为大于5.0，才能有效避免双内全反射的发生，缓解晶体内部的局部光强增强。采用微铣刀加工出了球型与高斯型修复轮廓表面，修复后表面粗糙度 Ra均小于50nm。抗激光损伤能力验证实验表明：微修复后晶体表面的光伤阈值可提升至初始损伤表面的3倍，且微修复轮廓在高能激光辐照下表现出很强的稳定性。综合分析了晶体修复表面引入的微刀痕对修复效果的影响规律。微修复表面引入的刀痕缺陷，尤其是多个刀痕缺陷同时存在时，对修复后表面的抗激光损伤能力有很严重的影响。前、后表面刀痕诱导的LIEF分别可达无刀痕修复表面的5.9和2.1倍。带刀痕修复表面的激光损伤阈值仅为无刀痕修复表面的83.6%，损伤阈值及损伤点形貌检测结果与仿真结果基本吻合。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状与分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 KDP晶体强激光诱导损伤模型的建立及验证

2.1 引言

2.2 光学材料激光诱导损伤机制分析

2.3 KDP晶体激光诱导损伤阈值预测模型的建立

2.4 KDP晶体表面微缺陷对激光传输性能影响的数值分析

2.5 FDTD 模拟程序的验证

2.6 本章小结

第3章 表面微缺陷对抗激光损伤能力影响的理论研究

3.1 引言

3.2 KDP晶体表面微凹坑缺陷对激光传输性能的影响分析

3.3 KDP晶体表面微裂纹缺陷对激光传输性能的影响分析

3.4 KDP晶体表面划痕缺陷对激光传输性能的影响分析

3.5 晶体表面微缺陷与激光诱导损伤阈值间映射关系的理论解析

3.6 本章小结

第4章 晶体表面微缺陷诱导损伤及损伤增长实验研究

4.1 引言

4.2 KDP晶体激光诱导损伤阈值的实验检测

4.3 KDP晶体表面微缺陷对激光诱导损伤阈值影响的实验研究

4.4 多脉冲激光辐照下KDP晶体表面激光损伤增长研究

4.5 本章小结

第5章 表面缺陷点的微铣削修复与损伤增长抑制研究

5.1 引言

5.2 修复前后KDP晶体微缺陷表面对激光传输性能的影响分析

5.3 KDP晶体表面微缺陷修复后抗激光损伤能力评估

5.4 KDP晶体表面修复刀痕对修复效果的影响分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

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致谢

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