金属污染诱导熔石英表面损伤机理研究

摘要

在高功率激光驱动的惯性约束聚变大型光学系统中，光学元件的负载能力是限制激光器高通量输出的瓶颈。光学元件表面固有缺陷是导致损伤阈值低的主要原因，但在大型光学系统运行中，表面污染物则是降低损伤阈值和使用寿命的重要因素。因此，研究光学元件表面污染物诱导损伤规律对于提高光学元件的抗激光损伤能力，延长使用寿命具有重要现实意义。
　　论文针对光学系统运行过程中光学元件表面污染物的不同形态:薄膜状污染和颗粒状污染，研究了污染物诱导熔石英元件表面损伤的物理图像即初始损伤、损伤增长。并采用二氧化碳修复技术修复损伤坑，提高损伤阈值和抑制损伤增长。本文的主要工作和得到的结论如下:
　　1、建立了熔石英表面污染物诱导损伤的理论模型，采用有限元软件模拟分析了在一个脉冲辐照过程中熔石英样片表面的温度场和应力场分布。熔石英样片的损伤主要发生在激光脉冲辐照后，样片快速升温，并超过软化点。损伤斑内部最大应力为30.73Mpa，中心为压应力，四周为拉应力，为实验研究提供了依据。
　　2、研究了薄膜状金属污染物诱导熔石英样片损伤的物理过程。污染熔石英样片的损伤均发生在后表面，污染物在前表面时引起样片损伤阈值下降比污染物在后表面时引起样片损伤阈值下降严重。根据熔石英表面污染物薄膜对脉冲激光的吸收系数，原子力显微镜图像，结合热冲击模型和等离子体冲击理论，从微观上分析了污染物诱导损伤的物理图像。
　　3、采用“1-on-1”，“10-on-1”，“20-on-1”三种方式测试不同尺寸污染颗粒诱导熔石英表面损伤斑的尺寸、熔石英样片的阈值。当颗粒污染物在前表面时，污染物在1次激光脉冲辐照下形成的损伤斑尺寸约为污染物尺寸的2.5倍，并随着辐照次数的增加而增加，最大可达6倍。颗粒状污染物在后表面时，损伤斑尺寸与辐照次数关系不大，约为污染物颗粒尺寸的2倍。
　　4、研究了洁净熔石英元件和被污染后熔石英元件初始损伤点的损伤增长规律，结果表明:后表面的初始损伤点尺寸均随着脉冲激光辐照次数呈指数增长，前表面的初始损伤点随脉冲激光辐照次数呈线性增长，且前表面的损伤点能引起后表面发生坑状损伤，污染后熔石英元件损伤增长因子大幅度提高11.5％。并利用二氧化碳预处理工艺修复损伤坑，修复后的“损伤区域”阈值与未损伤区域阈值相当。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 课题的背景

1．2 国内外进展

1．2．1 熔石英亚表面缺陷

1．2．2 熔石英表面污染

1．3 论文研究目标及研究内容

第二章 熔石英表面激光损伤实验方法与理论模型

2．1 引言

2．2 光学元件损伤的定义

2．3 脉冲激光与光学元件相互作用方式

2．4 激光损伤阈值的确定方法

2．4．1 50％损伤几率阈值

2．4．2 零几率损伤阈值

2．4．3 “R-on-1”损伤阈值

2．5 常见的激光损伤的判定方法

2．5．1 相衬显微镜观察法

2．5．2 等离子体闪光判别法

2．6 影响熔石英元件损伤阈值的因素

2．6．1 激光参数对损伤阈值的影响

2．6．2 光学元件参数的影响

2．7 熔石英元件损伤机理

2．7．1 本征损伤的物理过程

2．7．2 缺陷损伤的物理过程

2．8 熔石英表面污染诱导损伤模型

2．9 小结

第三章 金属污染物诱导熔石英损伤温度场的数值模拟

3．1 引言

3．2 热吸收模型

3．3 热弹性力学模型

3．4 脉冲激光辐照下熔石英元件的温度场分布

3．5 脉冲激光辐照后熔石英样片温度场和应力场数值模拟

3．6 本章小结

第四章 熔石英表面污染物诱导损伤规律的研究

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 金属污染物的表征

4．2．2 金属污染物诱导熔石英损伤实验装置与激光参数

4．3 金属污染物薄膜诱导熔石英损伤的研究

4．3．1 金属污染物薄膜参数的表征

4．3．2 激光诱导熔石英损伤测试方式

4．4 金属污染物薄膜诱导熔石英激光损伤形貌的测试与分析

4．4．1 前表面污染物诱导损伤分析

4．4．2 后表面污染物诱导损伤分析

4．4．3 不同金属污染物膜层之间的损伤形貌对比研究

4．4．4 金属污染物诱导熔石英损伤阈值测试

4．4．5 热吸收模型

4．5 颗粒状污染诱导熔石英表面损伤的研究

4．5．1 污染物的制备

4．5．2 前表面金属污染物诱导损伤的研究

4．5．3 后表面金属污染物诱导损伤的研究

4．5．4 损伤形貌与理论模型对比验证

4．5．5 损伤尺寸与污染物颗粒尺寸之间的关系

4．6 小结

第五章 熔石英表面损伤增长的研究

5．1 引言

5．2 洁净熔石英样片表面损伤增长

5．2．1 实验步骤

5．2．2 实验结果分析

5．2．3 损伤增长机理分析

5．3 污染后的熔石英表面损伤增长

5．3．1 污染熔石英后表面的损伤增长

5．3．2 污染熔石英前表面的损伤增长

5．3．3 损伤增长机理的对比研究分析

5．4 CO2预处理机制提高损伤阈值的研究

5．4．1 CO2激光预处理机制

5．4．2 CO2激光预处理实验研究

5．5 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间论文情况

攻读硕士学位期间参加会议情况