激光武器正朝著大功率高能量的方向發(fā)展,這對(duì)激光器提出了新的要求。而激光器中光學(xué)元件的抗激光損傷能力已成為目前制約激光器發(fā)展的主要因素。光學(xué)薄膜是光學(xué)元件的重要核心組成部分,它直接決定著光學(xué)元件的抗激光損傷能力。如何提高光學(xué)薄膜的抗激光損傷能力是大功率高能量激光器發(fā)展的關(guān)鍵。只有解決了光學(xué)薄膜的抗激光誘導(dǎo)損傷問(wèn)題,才能更有力地推動(dòng)大功率高能量的激光器的發(fā)展。雖然激光與光學(xué)薄膜相互作用機(jī)理已基本被大家認(rèn)可,但對(duì)各種薄膜的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證卻不充分。激光誘導(dǎo)損傷閾值(Laser-induced Damage Threshold,LIDT)作為衡量光學(xué)薄膜抗激光損傷能力的重要技術(shù)指標(biāo),其測(cè)試的準(zhǔn)確性也仍需進(jìn)一步研究。本文以光學(xué)薄膜激光誘導(dǎo)損傷的識(shí)別與評(píng)判以及損傷閾值的準(zhǔn)確測(cè)試為主要內(nèi)容,開(kāi)展了以下的研究工作:光學(xué)薄膜激光誘導(dǎo)等離子體光譜特征研究:基于原子碰撞和受激輻射原理,在等離子體的局部熱力學(xué)平衡條件下,利用麥克斯韋(Maxwell)方程以及薩哈(Saha)方程對(duì)光學(xué)薄膜在受到脈沖激光輻照損傷時(shí)的原子電離過(guò)程及電離程度進(jìn)行了仿真計(jì)算,分析了光學(xué)薄膜在脈沖激光輻照下所產(chǎn)生的等離子體閃光過(guò)程,重點(diǎn)研究了光學(xué)薄膜的等離子體閃光光譜的相關(guān)特征。利用原子譜線的峰位和譜線寬度,計(jì)算得到了光學(xué)薄膜脈沖激光誘導(dǎo)損傷過(guò)程中的等離子體溫度和電子密度,為光學(xué)薄膜與激光相互作用機(jī)理的研究提供了有力的技術(shù)支撐。光學(xué)薄膜激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波特征研究:采用空氣動(dòng)力學(xué)、非定常氣體動(dòng)力學(xué)以及點(diǎn)爆炸理論,對(duì)光學(xué)薄膜受脈沖激光輻射后產(chǎn)生的等離子體沖擊波建立了理論模型,利用質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律對(duì)該等離子體沖擊波在空氣中的傳播特征參數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算,并利用聲學(xué)診斷的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,該等離子體沖擊波在空氣中傳播時(shí),其速度、壓強(qiáng)、溫度等參數(shù)在空氣中傳播時(shí)均呈現(xiàn)指數(shù)衰減的變化趨勢(shì),且與光學(xué)薄膜吸收的激光能量有直接關(guān)系。因此,光學(xué)薄膜脈沖激光誘導(dǎo)的等離子體沖擊波特征與光學(xué)薄膜的激光損傷特征有著密切的關(guān)系,理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果相一致,這也為激光與光學(xué)薄膜相互作用機(jī)理的研究提供了又一種有效地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。光學(xué)薄膜脈沖激光誘導(dǎo)損傷的識(shí)別方法研究:提出了兩種有效識(shí)別光學(xué)薄膜激光誘導(dǎo)損傷的方法:一是基于光學(xué)薄膜發(fā)生損傷時(shí)的脈沖激光誘導(dǎo)等離子體閃光光譜特征,將閃光光譜中是否存在光學(xué)薄膜的材料元素譜線作為判斷依據(jù),解決了已有的等離子體閃光識(shí)別方法所存在的因人為因素或大氣閃光所帶來(lái)的損傷誤判問(wèn)題,提高了光學(xué)薄膜激光誘導(dǎo)損傷闞值(LIDT)的測(cè)試準(zhǔn)確性;二是基于光學(xué)薄膜脈沖激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波特征,并結(jié)合相襯顯微鏡法,利用聲學(xué)診斷的方法對(duì)光學(xué)薄膜是否發(fā)生損傷進(jìn)行識(shí)別,保證了測(cè)試準(zhǔn)確性,同時(shí)也有效地提高了光學(xué)薄膜激光誘導(dǎo)損傷閾值的測(cè)試效率。光學(xué)薄膜脈沖激光誘導(dǎo)損傷閾值主要影響因素的實(shí)驗(yàn)研究:基于光學(xué)薄膜與脈沖激光相互作用的熱效應(yīng)和場(chǎng)效應(yīng)理論,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并討論分析了基底面形參數(shù)以及光學(xué)薄膜的膜系周期結(jié)構(gòu)對(duì)光學(xué)薄膜激光誘導(dǎo)損傷閾值的影響。提出了對(duì)薄膜施加外加偏置電場(chǎng)的方法,并采用該方法實(shí)驗(yàn)研究了類(lèi)金剛石薄膜(Diamond-like Carbon Film,DLC)和氧化物膜的激光誘導(dǎo)損傷特性。實(shí)驗(yàn)表明,該方法明顯減輕DLC薄膜和氧化物膜的激光誘導(dǎo)損傷程度,有效地提高了光學(xué)薄膜的抗激光誘導(dǎo)損傷能力。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TJ95;TN248
【部分圖文】：

周維軍用有限元法計(jì)算了?Ｋ９玻璃的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布［２４］。同年，凌秀??對(duì)節(jié)瘤這種缺陷進(jìn)行了熱力損傷的理論分析１％。２００７年，趙東方等人基于包換??程的熱傳導(dǎo)方程，采用熱熔法，對(duì)毫秒脈沖激光與金屬材料相互作用過(guò)程進(jìn)行了??并分析了金屬材料內(nèi)部溫度的變化規(guī)律［２６１。２００８年，吳師崗?fù)ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)得出導(dǎo)??＞２薄膜激光損傷閾值降低的原因主要是材料的缺陷致使強(qiáng)吸收后發(fā)生相變。２０１５??英杰等人針對(duì)薄膜與基底界面間的界面耦合效應(yīng)建立了模型，并研宄得出：基底??

周維軍用有限元法計(jì)算了?Ｋ９玻璃的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布［２４］。同年，凌秀??對(duì)節(jié)瘤這種缺陷進(jìn)行了熱力損傷的理論分析１％。２００７年，趙東方等人基于包換??程的熱傳導(dǎo)方程，采用熱熔法，對(duì)毫秒脈沖激光與金屬材料相互作用過(guò)程進(jìn)行了??并分析了金屬材料內(nèi)部溫度的變化規(guī)律［２６１。２００８年，吳師崗?fù)ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)得出導(dǎo)??＞２薄膜激光損傷閾值降低的原因主要是材料的缺陷致使強(qiáng)吸收后發(fā)生相變。２０１５??英杰等人針對(duì)薄膜與基底界面間的界面耦合效應(yīng)建立了模型，并研宄得出：基底??

光學(xué)薄膜的激光損傷分析及識(shí)別研允??與薄膜界面間的耦合效應(yīng)，即熱效應(yīng)與力學(xué)效應(yīng)的耦合是影響薄膜激光損傷的Ｍ要原因??之一［２Ａ因此亞表面的缺陷不容忽視，圖１．３為入射激光輻照到基底缺陷處的電場(chǎng)分布??圖。??ＩＢＢ！?—??ｍ??Ｉ?Ｉ?Ｉ?ａ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??－３?－１．５?０?１．５?３?３?－１．５?０?１．５?３?（ｕｍ）??圖１．３薄膜與基底界面缺陷處電場(chǎng)分布??（１）薄膜的吸收??基于光的電磁理論，薄膜的光吸收主要是由材料的介電常數(shù)屮的虛部引起的。材料??的介電常數(shù)為：??１?＋?－－?ｅ?－?ｆ〇ｓｃ｛ｃ〇２?－?（〇ｌ?＋?／ｒｃｏ）??￡?＝?￡｝?＋￡■，?＝?＾??（１－１）??－?（ｃｏ＾－ｃｏｌ）－?－Ｙ＼ｏ２??其中，是介質(zhì)的固有頻率，旋是約束電子密度，是電子質(zhì)量，《是入射光場(chǎng)角??頻率，ｒ是共振寬度，／０９Ｃ是振子的長(zhǎng)度。??薄膜材料的折射率為復(fù)折射率，即：??Ｎ?＝?ｎ?—?ｉｋ?（１．２）??其中，《是薄膜材料折射率的實(shí)部，Ａ是消光系數(shù)。??由，再聯(lián)立式（１．１）和（１＿２）?ｗｊ■得：??ｓ＇?＝?ｎ２?—?ｋ２：?ｓ２?＝?２ｎｋ?（１．３）??則有：??＝?＝?（１．４）??２?２??因此
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本文編號(hào)：2862120