發(fā)布時(shí)間：2020-03-19 21:22

【摘要】：光學(xué)薄膜作為高能激光系統(tǒng)中最重要的組成部分,同時(shí)也是最容易發(fā)生損傷的部分,激光作用下光學(xué)薄膜產(chǎn)生損傷的兩個(gè)主要原因是薄膜內(nèi)發(fā)生了熱破壞或熱致應(yīng)力破壞。激光作用下,薄膜與基底以及薄膜膜層之間會(huì)產(chǎn)生溫度變化導(dǎo)致薄膜熱熔融、氣化等損傷破壞;溫度差異還會(huì)導(dǎo)致薄膜熱形變,由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起薄膜斷裂、脫落等損傷破壞。深入研究光學(xué)薄膜的激光誘導(dǎo)損傷過(guò)程,分析薄膜損傷的原因及機(jī)理,結(jié)合理論分析結(jié)果和模擬仿真規(guī)律來(lái)指導(dǎo)鍍膜實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化鍍膜工藝,制備具有高激光損傷閾值(laser-induced damage threshold,LIDT)的薄膜,延長(zhǎng)光學(xué)薄膜元件的使用壽命,滿(mǎn)足高能激光系統(tǒng)的需求,提高激光系統(tǒng)的性能,這些研究工作將具有十分重要的意義。本文從材料吸收激光能量的熱吸收效應(yīng)出發(fā),結(jié)合激光作用下光學(xué)薄膜內(nèi)的熱致應(yīng)力損傷機(jī)理,建立了激光作用下單層膜和多層膜的誘導(dǎo)破壞模型。求解熱傳導(dǎo)方程、熱彈性力學(xué)方程和平衡微分方程,得到了較為準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)和熱致應(yīng)力場(chǎng)解析式。為了驗(yàn)證模型的正確性,用Matlab軟件對(duì)單層膜和雙層膜的溫度場(chǎng)及熱致應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算和模擬仿真,對(duì)結(jié)果和規(guī)律進(jìn)行總結(jié),得到以下結(jié)論:1)激光誘導(dǎo)作用下多層膜內(nèi)溫度場(chǎng)分布和熱致應(yīng)力場(chǎng)分布與單層膜薄膜內(nèi)溫度場(chǎng)分布和熱致應(yīng)力場(chǎng)分布基本類(lèi)似:均隨半徑增大和厚度增加而逐漸減小。2)多層膜內(nèi)溫度和熱致應(yīng)力在膜層交界面處有躍變,例如對(duì)于MgF_2/ZnS雙層膜,激光輸出能量為50mJ時(shí),交界面溫度分別為650℃和1335℃;徑向熱應(yīng)力值分別為-509MPa和-444MPa,環(huán)向熱應(yīng)力值也分別為-509MPa和-444MPa,軸向熱應(yīng)力值分別為-1114MPa和-972MPa。MgF_2薄膜壓縮強(qiáng)度約為300MPa,ZnS單層膜的斷裂強(qiáng)度100MPa左右,此時(shí)雙層膜可能發(fā)生熱致應(yīng)力損傷。3)對(duì)于不同的薄膜材料,其損傷過(guò)程及類(lèi)型不同:類(lèi)金剛石(Diamond Like Carbon,DLC)薄膜內(nèi)最高溫度為696℃,遠(yuǎn)小于其熔點(diǎn);但徑向熱應(yīng)力3132MPa和軸向熱應(yīng)力6917MPa超過(guò)斷裂強(qiáng)度200-400MPa�？芍�,薄膜可能發(fā)生熱致應(yīng)力損傷。4)單層膜容易發(fā)生損傷的位置位于薄膜表面和激光光束中心附近,對(duì)于多層膜,除了上述兩個(gè)位置,膜層分界面處的溫度躍變和熱致應(yīng)力躍變也是造成薄膜損傷的主要原因之一。5)鍍膜時(shí)應(yīng)盡量選用吸收系數(shù)小、熱擴(kuò)散系數(shù)大,熱膨脹系數(shù)小且多層膜材料熱膨脹系數(shù)相差不大的薄膜材料,以及加鍍保護(hù)膜層以減少薄膜表面及光束中心的能量吸收,從而提高薄膜的LIDT。以上結(jié)論對(duì)制備高LIDT光學(xué)薄膜提供了理論依據(jù)。為豐富模型的適用性,編寫(xiě)程序設(shè)計(jì)了激光誘導(dǎo)模型仿真計(jì)算程序界面,實(shí)現(xiàn)了激光參數(shù)、薄膜材料和仿真結(jié)果的輸入和選擇,可通過(guò)相關(guān)參數(shù)的修改來(lái)實(shí)現(xiàn)更豐富的模型計(jì)算仿真,獲得更多、更準(zhǔn)確的規(guī)律來(lái)指導(dǎo)鍍膜實(shí)驗(yàn)和提升光學(xué)薄膜器件的性能。
【圖文】：

內(nèi)駐波場(chǎng)的波節(jié)和波腹依次分布在高、低折依次為：HLHHnnnnEEEnnEEE030201002020++====。以看出，波節(jié)振幅為零，第一個(gè)波腹的振破壞，最容易發(fā)生的位置在膜內(nèi)駐波場(chǎng)的第看出，熱效應(yīng)是由薄膜材料吸收激光能量引引起損傷破壞也是從表面開(kāi)始的，而場(chǎng)效

T(r zt) kT(r zt) f(r ztc ,,,,,,2 = ρ ：2222222211r rrr z + + + =θ模型垂直輻照在鍍有單層光學(xué)薄膜的三維，，所以建立坐標(biāo)系時(shí)，采用軸對(duì)稱(chēng)圓柱輸?shù)姆较蛳嗤�。薄膜厚度�?h，半徑量，并向膜層內(nèi)部和四周傳遞熱量。Rh
【學(xué)位授予單位】：西安工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN249

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2 徐p馬

本文編號(hào)：2590724