本文選題：污染　切入點：光學(xué)元件　出處：《電子科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：負載能力是衡量大型高功率固體激光裝置綜合性能的重要技術(shù)指標之一,持續(xù)提高光學(xué)元件及薄膜的抗激光輻照損傷能力,是裝置負載能力提升的基礎(chǔ)。然而,目前激光誘導(dǎo)元件表面損傷仍然是制約裝置通量提升的“瓶頸”,而光學(xué)元件表面污染在激光誘導(dǎo)元件損傷中扮演著重要的角色。本文針對光學(xué)元件表面污染對激光裝置負載能力影響這一問題,提出了對大型激光裝置內(nèi)污染物的監(jiān)測和取樣方案,并分析了污染物的成分。實驗上系統(tǒng)地研究了各類污染物對光學(xué)元件裸片及溶膠-凝膠薄膜的光學(xué)性能和抗激光損傷性能的影響,各類污染物沉積量與元件激光損傷閾值之間的關(guān)系,元件在特定污染情況下安全運行的“紅線”;理論上模擬了表面污染對激光光場的調(diào)制。論文主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:1.根據(jù)污染物類型,運用了三種在線監(jiān)測手段,即在線成像系統(tǒng)、聲表面波傳感器和微納光纖傳感器。結(jié)果表明:在線成像系統(tǒng)適合于監(jiān)控尺寸大于幾十微米的顆粒污染物;聲表面波傳感器能對分子態(tài)有機污染物進行有效監(jiān)測;而微納光纖傳感器的優(yōu)勢在于監(jiān)控尺度在微米量級或更小的微粒污染物。2.研究了污染物的取樣方法及成分分析。(a)固體顆粒及非蒸發(fā)性殘留污染物采用擦拭的方法采樣,污染物形貌運用掃描電子顯微鏡觀察,成分采用能譜儀進行分析。結(jié)果表明:各元件表面污染物的成分主要是有機物、金屬及礦物質(zhì)顆粒。(b)分子態(tài)有機污染物采用真空采樣罐采樣,成分則借助質(zhì)譜儀進行分析。結(jié)果表明:激光裝置內(nèi)的分子態(tài)有機物多達數(shù)十種,主要是烷烴類、氯烷類和芳香烴類;污染物總含量及各組分濃度隨激光發(fā)次和作用時間的增加而降低。3.研究了污染物對光學(xué)元件裸片(熔石英、K9玻璃)的光學(xué)性能及抗激光損傷性能的影響。(a)研究了塵埃顆粒對K9玻璃損傷形貌及激光損傷閾值的影響。塵埃顆粒處損傷坑的尺寸隨激光發(fā)次、能量的增加而增大;K9玻璃的激光損傷閾值與塵埃尺寸之間呈反比的關(guān)系,劃出了K9玻璃在不同尺寸塵埃顆粒污染下安全運行的“紅線”。(b)研究了真空油對熔石英和K9玻璃表面形貌、透過率、激光損傷閾值、光熱弱吸收等性能的影響。結(jié)果表明:光學(xué)元件裸片被真空油污染后,其表面呈現(xiàn)出微米量級的油滴;熔石英和K9玻璃的透過率/激光損傷閾值均隨油污染沉積質(zhì)量增加而降低,并獲得了相應(yīng)的變化規(guī)律及表達式;劃出了熔石英和k9玻璃在不同程度油污染下安全運行的“紅線”。4.研究了污染物對SiO_2溶膠-凝膠薄膜(1ω和3ω增透膜)的光學(xué)性能及抗激光損傷性能的影響。(a)研究了塵埃顆粒對1ω增透膜的損傷形貌和激光損傷閾值的影響。塵埃顆粒處薄膜損傷形貌隨激光能量的增加而加劇;1ω增透膜的激光損傷閾值與塵埃尺寸之間呈反比關(guān)系,劃出1ω增透膜在不同尺寸塵埃顆粒污染下安全運行的“紅線”。(b)研究了真空油對溶膠-凝膠增透膜表面形貌、透過率、激光損傷閾值等性能的影響。結(jié)果表明:當油污染由輕到重,薄膜表面依次出現(xiàn)油滲透、油斑、凝聚、顆粒狀形態(tài);1ω和3ω增透膜的透過率/激光損傷閾值隨油污染沉積質(zhì)量的增加而降低,并獲得了相應(yīng)的變化規(guī)律及表達式;劃出了1ω和3ωSiO_2溶膠-凝膠增透膜在不同程度油污染下安全運行的“紅線”。(c)研究了分子態(tài)有機污染物(橡膠管出氣)對SiO_2溶膠-凝膠增透膜的光學(xué)性能及激光損傷的影響。結(jié)果表明:溶膠-凝膠增透膜的透過率及激光損傷閾值隨污染時間增加或氣壓降低而減小。另外,1ω增透膜的抗污染能力比3ω增透膜強;在薄膜遭受較嚴重污染時,透射峰值會出現(xiàn)紅移。5.建立了橢球顆粒、圓錐顆粒、圓柱顆粒及膜層污染的三維模型,采用三維時域有限差分(3D-FDTD)方法和完全匹配層(PML)吸收邊界條件,針對各類污染物對激光光場的調(diào)制進行了數(shù)值模擬,得到了污染物參數(shù)(形狀、位置、尺寸、相對介電常數(shù)、顆粒數(shù)、間距)與激光光場調(diào)制的關(guān)系,并給出了相應(yīng)電場峰值的變化規(guī)律。上述結(jié)果表明,針對光學(xué)元件表面污染對負載能力影響的研究,無論是實驗研究還是數(shù)值模擬都的取得了較大的進展。對工程上(激光系統(tǒng))有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。
[Abstract]:Load capacity is one of the most important indexes to measure the comprehensive performance of high power solid-state laser device, continuously improve the ability of anti laser irradiation damage of optical elements and films, is the basic unit in increasing the load capacity. However, the laser induced surface damage element is still restricting device upgrade flux "bottleneck", and the optical element in the surface pollution laser induced damage plays an important role in this paper. The optical element surface pollution elements on the laser device affect the load capacity of this problem, proposed to the large-scale laser facility in pollutant monitoring and sampling scheme, and analyzes the effects of pollutants in the experiment. A systematic study of the optical properties of various pollutants on the optical element chip and sol gel film and the anti laser damage performance, the relationship between various pollutants deposition and laser damage threshold element In particular, the safe operation of pollution elements under the "red line"; simulated surface contamination of the modulated laser light field. The main research contents and results are as follows: 1. according to the type of pollutants, using three kinds of online monitoring methods, namely online imaging system, the surface acoustic wave sensor and micro nano optical fiber sensor. Show that the online imaging system suitable for monitoring pollutant particles size greater than tens of microns; surface acoustic wave sensor for monitoring the molecular state of organic pollutants; sampling methods of particulate pollutants monitoring.2. scale on the order of microns or less of the pollutant and composition in micro nano optical fiber sensor. The advantages of solid particles and (a) non evaporation of residual contaminants by wiping sampling, pollutant morphology by scanning electron microscopy observation, can analyze the component results of spectrometer. Ming: the components of surface contamination is mainly composed of organic compounds, metal and mineral particles. (b) molecular state of organic pollutants by vacuum canister sampling, composition by mass spectrometer were analyzed. The results showed that the molecular state of organic laser device in the dozens, if the main alkanes, alkyl and aromatic chloride hydrocarbons; total pollutant content and concentration of each component increases with laser time and time and reduce.3. of pollutants on the optical element chip (Rong Shiying, K9 glass) influence the optical properties and anti laser damage performance. (a) on the effect of dust particles on K9 glass damage morphology and damage threshold the dust particles damage. The pit size increases with the laser energy, increases; was inversely proportional to the relationship between the laser damage threshold and the dust size of K9 glass, K9 glass made in different sizes of dust pollution Under the safe operation of the "red line". (b) the effects of vacuum oil on quartz and K9 glass surface morphology, transmittance, laser damage threshold, thermal effect of weak absorption performance. The results show that the optical element chip is vacuum oil pollution, the surface shows the micron droplet; fused silica and K9 glass transmittance / laser damage threshold with oil pollution deposition quality increased, and obtained the change rule and the corresponding expression; out of quartz and K9 glass in different degree of oil pollution under the safe operation of the "red line".4. of pollutants on SiO_2 sol-gel films (1 and 3. Omega) antireflection film influences the optical properties and the anti laser damage performance. (a) affected the damage morphology and laser damage threshold of dust particles on the 1 Omega antireflection film on the film. The increase of dust particles damage morphology with laser energy increases; 1 Omega antireflection film The inverse relationship between the laser damage threshold and the dust size, set aside 1 Omega antireflection film in the safe operation of dust particles of different size under the "red line". (b) the effects of vacuum oil on sol gel antireflective film surface morphology, transmittance, laser damage threshold properties. The results show that when the oil pollution from light to heavy, thin film surface followed by oil permeability, oil slicks, condensed, granular shape; 1 W and 3 W antireflection film transmittance / laser damage threshold with the increase of oil pollution deposition quality decreased, and obtained the change rule and the corresponding expression; set aside 1 omega and 3 Omega SiO_2 sol gel antireflective film in different degree of safe operation of oil pollution under the "red line". (c) to study the molecular state of organic pollutants (rubber outlet) antireflection film optical properties and laser damage effects on SiO_2 sol gel. The results showed that the sol gel antireflective film The transmittance and the laser damage threshold of pollution with time increasing or decreasing air pressure decreases. In addition, 1 Omega antireflective film with anti pollution ability than 3 Omega antireflection film; in the film suffered serious pollution, the transmission peak will appear red shift of.5. established ellipsoidal particles, conical particles, three-dimensional model of cylindrical particles and membrane pollution by using 3D finite-difference time-domain (3D-FDTD) method and the perfectly matched layer (PML) absorbing boundary conditions for various pollutants to simulate the modulated laser light field and the pollutant parameters (shape, position, size, relative dielectric constant, particle number, spacing and modulation of the laser light) field, and gives the corresponding variation of the peak of the electric field. The results showed that the research on influence of optical elements on the surface pollution load capacity, both experimental studies and numerical simulation of has made great progress on the project. (laser system) has certain reference value and guiding significance.

【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O484.41;TN249

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本文編號：1661506