激光辐照对光学器件中缺陷的修复研究

摘要

高功率激光系统的发展是现在激光技术应用的主流方向，由于光学元件损伤限制了高功率系统如ICF激光驱动器的研发，怎么最大程度减弱激光辐照造成器件表面损伤是现在需要解决的问题。强激光诱导熔石英光学元件因其良好的物理特性和抗损伤能力，在经济成本制约和科技进步的不断努力中，正在其发展历程中不断解决一个又一个技术问题。现在主要的修复光学材料表面损伤和损伤再生长的技术中，CO2激光辐照材料表面技术被广泛地采用。本篇文章主要是针对这一技术开展了一系列地理论分析和数值计算，建立和分析了其热力学理论模型，以热吸收作为研究起始，通过实验和仿真进一步对激光辐照中熔石英元件的温度分布、残余应力的特点和熔融流动的实时进程进行对比研讨，将运用广泛的光学材料表面损伤在物理层面建立模型，然后观察各种激光参数对高斯坑的熔融修复形貌的大小影响的分析，主要的研究内容和结果如下：
　　1、模拟熔融二氧化硅元件由不同的激光高斯圆光斑照射的温度分布和变化过程。当激光照射损伤的熔石英元件的表面时，光学元件表面的中心温度较高，然后周围材料的温度成依次递减趋势，沿着水平面方向从激光照射损伤坑的中心起温度梯度较小，垂直于元件表面指向元件内部的温度梯度较大。激光辐照光学元件表面温度升高和降低表现为前期变化迅速，等到后期则变化缓慢，同时材料的光斑边缘周围表面温度梯度很大。
　　2、在本文中，通过热传导和熔体流动的耦合对CO2激光照射下光学元件表面的二维熔体流动建模。通过理论与实验的结合，描述了熔融石英材料表面损伤的重建形态特征。分析了三种驱动力对熔体流动过程的作用。发现熔融二氧化硅元件的表面张力是流动的主要推动力，在其的影响下，光学元件表面材料的流动明显变化。损伤坑附近环形凸起的特殊形态与结论一致。
　　3、建立了带凸起的损伤坑的模型。在仿真实验中，我们采用的是二维熔体流动模型来模拟激光修复损伤的过程。经过仿真我们可以得出结论，对损伤坑运用单点修复后，在元件表面的高斯坑区域观察环形凸起的修复后遗迹。然而原始损伤尺寸越大，修复光学元件表面的难度越高。
　　4、研究激光功率、辐照时间和激光光束半径对激光照射期间熔融流动的作用。通过观察由实验数据绘制的二维图可以发现，无论何种类型的损伤，修复结束后形成的表面形貌都很相似。此外，损伤坑比较深的区域修复难度也相对较大，因为在目前的计算条件和模型难以使损伤达到理想修复效果，即修复后形成周围带凸起的高斯坑，从而达不到预期的修复效果。总体来说提高激光装置的输出稳定性、增大光束的半径以及合理的控制辐照时间可以使修复后的表面更光滑。
　　5、分析激光器发射的脉冲激光参数对修复光学元件表面尺寸的影响。实验数据表明在CO2激光修复时，高斯坑普遍出现在蒸发和熔融区，激光输出功率、照射长短、斑点尺寸对修复尺寸的作用更为显著，特别是对光学元件表面损伤坑高度的修复比较大，而激光光束脉冲频率和占空比对修复大小的作用相对来说较低。并且激光器的激光光束频率的加大，观察到蒸发尺寸开始降低，但熔化尺寸不改变，这样就制约了蒸发，使光学元件表面平滑。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 激光对熔石英元件损伤的修复的研究意义和进展

1.3 本论文的主要内容与安排

第二章 激光辐照熔石英光学元件的基础理论

2.1 激光辐照效应概述

2.2 激光在介质中传输的波动方程

2.3 数值分析方法和有限元数值方法概述

2.4 激光辐照熔石英材料的有限元数值分析

2.5 总结

第三章 激光修复熔石英元件的建模分析

3.1 热力学理论模型的建模及其分析

3.2 激光辐照熔石英元件损伤修复过程

3.3 残余应力分布

3.4 总结

第四章 激光参数对熔石英元件损伤修复的影响

4.1 激光功率对元件修复的影响

4.2 激光辐照时间对元件修复的影响

4.3 激光半径对元件修复的影响

4.4 总结

第五章 总结和展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献