隨著高能激光技術(shù)的不斷發(fā)展,高能激光系統(tǒng)正從實(shí)驗(yàn)室逐步走向戰(zhàn)場(chǎng)。面對(duì)嚴(yán)苛的戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境,提高高能激光系統(tǒng)中強(qiáng)光元件的抗損傷性能,成為迫切需要解決的問題。高能激光系統(tǒng)中的強(qiáng)光元件須承受數(shù)kW/cm~2的連續(xù)強(qiáng)光長(zhǎng)時(shí)間輻照,若局部吸收過多的激光能量,極易出現(xiàn)熱損傷,嚴(yán)重?fù)p害系統(tǒng)的可靠性,制約著高能激光系統(tǒng)走向?qū)嵱谩Ｄ壳皝碚f,國(guó)內(nèi)外對(duì)強(qiáng)光元件損傷機(jī)理的研究主要集中在超短脈沖引起的光電場(chǎng)效應(yīng)研究,對(duì)于長(zhǎng)脈沖和連續(xù)激光的熱效應(yīng)研究相對(duì)較薄弱。因此本課題旨在研究高能連續(xù)激光系統(tǒng)中強(qiáng)光光學(xué)元件的熱損傷機(jī)理,主要內(nèi)容如下:研究了強(qiáng)光光學(xué)元件熱損傷的一般過程,建立了通用物理模型。首先利用強(qiáng)光元件微弱吸收分布測(cè)量?jī)x測(cè)量了強(qiáng)光元件表面的吸收分布,相較于基底疵病和膜層缺陷引起的吸收峰,污染物導(dǎo)致的吸收峰尺度和量值都要大兩個(gè)量級(jí)。這表明污染物是造成強(qiáng)光元件熱損傷的首要因素。進(jìn)而在實(shí)驗(yàn)上研究了強(qiáng)光元件的熱損傷行為,將強(qiáng)光元件的熱損傷分為局部位置能量累積、膜層消融、熱應(yīng)力累積與炸裂以及元件熔融四個(gè)過程�；跓醾鲗�(dǎo)理論和熱應(yīng)力理論,建立了強(qiáng)光元件熱損傷的通用物理模型。熱損傷開始由粘附在強(qiáng)光元件上的污染物引起,污染物使表面形成局部較強(qiáng)的吸收峰,吸收峰吸收大量激光能量并以熱傳導(dǎo)的形式傳遞給膜層,使膜層局部溫度迅速升高,開始出現(xiàn)小面積消融。消融后的區(qū)域顯露出基底,基底熱應(yīng)力快速累積的同時(shí),不斷地向周圍傳導(dǎo)熱量,致使周圍的膜層繼續(xù)消融。當(dāng)基底熱應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度,元件開始出現(xiàn)斷裂,形成災(zāi)難性損傷。依據(jù)上述物理模型,研究了膜層消融過程、熱應(yīng)力累積與炸裂過程,理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。對(duì)腔內(nèi)強(qiáng)光元件的熱損傷特性進(jìn)行了研究。腔內(nèi)強(qiáng)光元件局部損壞會(huì)影響激光振蕩、改變腔內(nèi)光強(qiáng)分布。利用巴比涅原理和衍射光學(xué)理論、角譜理論和快速傅里葉變換方法,對(duì)微尺度下反射率凹陷和大尺度下反射率凹陷的影響分別進(jìn)行了理論研究。研究發(fā)現(xiàn),強(qiáng)光元件微尺度的反射率凹陷對(duì)激光光場(chǎng)的影響很小,隨著損傷區(qū)域的擴(kuò)展,會(huì)對(duì)激光光強(qiáng)分布產(chǎn)生影響,使照射到損壞區(qū)域的激光功率密度不斷減小。根據(jù)腔內(nèi)強(qiáng)光元件損傷面積與激光光強(qiáng)分布的耦合關(guān)系,利用物理模型研究了腔內(nèi)強(qiáng)光元件的熱損傷過程,腔內(nèi)強(qiáng)光元件的損傷面積不會(huì)一直擴(kuò)展,而會(huì)收斂到某一固定值。對(duì)強(qiáng)光元件使用中的若干問題進(jìn)行了探索。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了使用“First Contact”清潔的效果優(yōu)于人工清潔效果,探索了標(biāo)準(zhǔn)化的清潔方法;根據(jù)潔凈強(qiáng)光元件吸收率的退化規(guī)律,評(píng)估了潔凈強(qiáng)光元件的使用壽命;討論了強(qiáng)光元件熱損傷的尺度律問題,在高能連續(xù)激光輻照下,輻照激光功率線密度(單位W/cm)相同,強(qiáng)光元件的損傷行為相同,不同尺度系統(tǒng)所需要的急停時(shí)間與尺度比的平方成正比。論文建立了高能激光系統(tǒng)中強(qiáng)光元件熱損傷的物理模型,闡明了強(qiáng)光元件熱損傷的機(jī)理,對(duì)于提高強(qiáng)光元件的抗損傷能力,保障高能激光系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
【學(xué)位單位】：國(guó)防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TJ95;TN24
【部分圖文】：

第 2 頁(yè)（c）元件表面污染物圖 1.1 引起強(qiáng)光元件熱損傷的因素象是中紅外高能連續(xù)激光系統(tǒng)中的強(qiáng)光 ZnSe 和 YbF3。該元件是中紅外波段的 ppm），承受著數(shù) kW/cm2高功率密度激十秒。在這種使用條件下，強(qiáng)光元件由效應(yīng)引起的熱熔融損傷。本文開展對(duì)高究，既是提高高能激光系統(tǒng)可靠性的需決的熱點(diǎn)問題。只有將高能連續(xù)激光條傷問題，才能保證高能激光系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室

MS 值小于 2%，輸出光束質(zhì)量 M2<1.5，功率指標(biāo)和功微弱吸收分布測(cè)量的要求。光熱信號(hào)處理系統(tǒng)是由課題3.8um LaserControl CircuitProbe LaserChopperBeam SplitterFilterDetectorPhotodetectorComputerMid-infraredOptical FilmLensAperturePowerMonitorBeam SplitterLock-inAmplifierPump BeamProbe BeamSampleθ圖 2.1 光熱測(cè)量法原理圖

第 9 頁(yè)圖 2.4 測(cè)量區(qū)域吸收率分布三維圖測(cè)量的污染物吸收峰與文獻(xiàn)記錄的膜層缺陷、基底疵病等較，量值和尺度均高出兩個(gè)量級(jí)。對(duì)于基底疵病和膜層缺般小于微米量級(jí)；但是污染物尺度分布很廣，從亞微米量在強(qiáng)光元件加工、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)、使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中，都無(wú)由此，強(qiáng)光元件表面的污染物是造成吸收峰、導(dǎo)致強(qiáng)光元依據(jù)這個(gè)結(jié)論，下節(jié)將搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究表面污染物影的具體過程。
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