基于有限元法的激光辐照光学材料热效应问题研究

摘要

基于激光技术的迅速提升，激光被应用在实际生活中越来越多的场合，尤其是在基于固体技术的激光器出现以后，激光向着更高功率更高能量的方向发展。发生在激光系统中的光学元件如输出耦合器、折叠镜、输出窗口等上的光热效应成为了限制强激光系统光束输出质量的主要因素，因而为了更好的利用激光，尤其是高功率高能量激光，继续扩充激光的应用领域和范畴，研究激光辐照光学材料的热效应问题，对提高光学材料的抗激光损伤能力具有重要的实际研究价值。
　　论文主要基准点是采用有限元方法对强激光辐照下光学材料的热效应问题进行研究。分析了激光与物质间的作用机理，尤其是光学材料在强激光辐照下，研究了材料对激光束的吸收机制和激光能量在材料中的传输特点以及材料的损伤机制并推导出了求解任意三维模型材料温度场的有限元格式，得到了实际光学透镜模型的温度场分布，研究分析了光学材料的不同缺陷对激光诱导损伤的机理和影响以及模拟仿真了单脉冲激光辐照CCD探测器的热效应。
　　论文的主要工作如下：
　　1.详细介绍了激光与物质间的相互作用机理，从宏观角度针对材料对辐照激光的吸收和反射运用电磁学理论进行了公式推导描述，从微观角度分析了强激光损伤材料的包括热和热应力破坏、雪崩电离破坏、多光子电离破坏以及杂质缺陷破坏等作用机制，并根据能量守恒定律和傅里叶实验定律对传热方程的微分表达形式进行了推导。
　　2.基于有限元方法对抛物线型偏微分方程进行了详细的公式推导，最终得到求解热传导方程的有限元格式，利用MATLAB语言编制了求解任意三维模型材料在激光辐照下的温度场分布的有限元计算程序。并利用软件ABAQUS对程序进行了校对，两者计算结果相吻合，验证了自编程序的正确性。
　　3.以实际光学系统中常用器件光学透镜为研究对象，建立了对其在高斯型脉冲激光辐照下的有限元求解模型，得到了材料的三维温度场分布，并分析了不同的激光参数和材料参数对材料温度场分布的影响，得到了石英玻璃和K9玻璃材料的激光功率损伤阈值，可为实际应用光学系统中光学元件的选取以及提高光学元件的抗激光损伤能力提供参考。
　　4.结合实际，针对材料加工过程中常见的包括裂缝以及杂质在内的三种缺陷的激光诱导损伤问题进行了研究，通过分析材料存在缺陷下的激光辐照温度场和应力场，发现材料中存在的这些缺陷都会降低材料的激光损伤阈值，尤其以杂质对激光能量的吸收最为严重，是导致材料激光诱导损伤的主要因素，并且在激光参数条件不变且激光完全覆盖杂质情况下，杂质尺寸越大，吸收激光能量越多，越容易导致材料的损伤。
　　5.对CCD探测器的多层介质模型的激光辐照热效应进行了模拟研究，通过分析脉冲激光辐照下各层材料的温度场分布和应力场分布，发现随着激光功率的增大，各层材料的温度和应力均呈增大趋势，硅层的变化最为突出，因而得到硅层容易导致CCD损伤的结论，且温度的影响要大于应力的影响。当辐照激光的功率增加到一定数值时，将会造成CCD的多层介质模型出现分层熔化的现象，进而导致CCD损伤或失效。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要内容

第二章 激光与介质材料相互作用理论

2.1激光与物质作用机理分析

2.2光学材料的激光损伤机理

2.3熔石英和K9玻璃

2.4辐照材料的激光作用模式

2.5传热方程理论知识

2.6本章小结

第三章 传热方程的有限元法实现

3.1传热方程的计算方法描述

3.2传热方程有限元数值算法实现

3.3程序的校对

3.4本章小结

第四章 激光辐照光学透镜的三维温度场分析

4.1高斯激光束辐射光学透镜建模与分析

4.2光学透镜模型的传热方程描述

4.3 程序与软件结果的比对

4.4模型温度场分布数值计算讨论

4.5本章小结

第五章 材料缺陷的激光损伤热效应分析

5.1引言

5.2光学材料的热效应计算

5.3材料缺陷的激光损伤分析

5.4本章小结

第六章 CCD探测器的热效应数值模拟分析

6.1引言

6.2行间转移型CCD模型建立与参数设置

6.3数值结果分析

6.4本章总结

第七章 总结和展望

7.1工作总结

7.2工作展望

参考文献

致谢

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