【摘要】：大型高功率激光裝置的負(fù)載能力是利用慣性約束聚變?cè)斫鉀Q人類未來能源危機(jī)的核心技術(shù)指標(biāo)。熔石英元件的損傷閾值大小直接制約著點(diǎn)火裝置的激光能量密度的進(jìn)一步提高。金屬雜質(zhì)是降低熔石英元件損傷閾值的一個(gè)主要原因,通過分析和模擬金屬雜質(zhì)誘導(dǎo)熔石英元件輻照損傷及修復(fù)的物理過程來認(rèn)識(shí)其溫度場和應(yīng)力場的變化規(guī)律。為了盡可能延長熔石英元件的使用壽命,保證大型高功率激光裝置的穩(wěn)定運(yùn)行,一方面要根據(jù)輻照損傷特性提高熔石英元件的損傷閾值,另一方面要利用損傷修復(fù)技術(shù)抑制熔石英元件的損傷增長。使用有限元分析軟件COMSOL進(jìn)行仿真建模,金屬雜質(zhì)誘導(dǎo)熔石英元件輻照損傷及修復(fù)的物理過程得到了數(shù)值模擬。論文的研究和結(jié)論如下:(1)通過分析金屬雜質(zhì)誘導(dǎo)熔石英元件輻照損傷的溫度場分布,熔石英元件的寬度為20mm,厚度為10mm,橢球狀金屬雜質(zhì)長半軸為30μm,短半軸為10μm,金屬雜質(zhì)選用材料庫中的Cu,受到250W的高功率激光(光斑半徑為2.5mm)輻照作用后金屬雜質(zhì)的溫度變化非常大,t=0.05s時(shí),金屬雜質(zhì)的溫度已達(dá)到2000K。t=0.45s時(shí),金屬雜質(zhì)的溫度已高達(dá)4000K,遠(yuǎn)超過熔石英的熔點(diǎn),熔石英元件的表面構(gòu)型開始被破壞。(2)通過分析金屬雜質(zhì)誘導(dǎo)熔石英元件輻照損傷的應(yīng)力場分布,熔融流速的最大值出現(xiàn)在距離光斑中心600μm的徑向上,流速最大值為9.88×10~(-4)m/s,應(yīng)力壓強(qiáng)的最大值出現(xiàn)在熔融流速的最大值處,壓強(qiáng)的最大值為748Pa。最后得出圓球狀和橢球狀金屬雜質(zhì)誘導(dǎo)損傷的特性非常相似,而薄膜狀金屬雜質(zhì)導(dǎo)致的損傷坑深度最小。(3)通過分析CO_2激光輻照熔石英元件損傷修復(fù)的溫度場分布,在CO_2激光功率為50W,光斑尺寸為0.02mm,損傷坑寬度為3μm,深度為0.4μm的條件下,t=4.5s時(shí),熔石英元件的不規(guī)則的損傷坑結(jié)構(gòu)已被修復(fù)為平滑的高斯型結(jié)構(gòu)。(4)通過分析CO_2激光輻照熔石英元件損傷修復(fù)的應(yīng)力場分布,熔融流速的最大值出現(xiàn)在距離光斑中心6μm的徑向上,流速的最大值為2.07×10~(-6)m/s,應(yīng)力壓強(qiáng)的最大值出現(xiàn)在熔融流速的最大值處,壓強(qiáng)的最大值為4320Pa。最后得出輻照時(shí)間和激光功率的特性非常相似,而光斑半徑對(duì)損傷坑的修復(fù)深度影響最明顯。
【圖文】：

.1 大型高功率激光裝置的負(fù)載能力隨著 20 世紀(jì) 60 年代第一臺(tái)紅寶石晶體激光器的成功研制，激光技術(shù)在民等方面取得了快速發(fā)展和大量使用，并對(duì)人類社會(huì)的生產(chǎn)生活起到了積作用。由于現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)力不斷發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量急劇增長。通過不斷分析太陽產(chǎn)生能量的核聚變過程，即高溫高壓下，一個(gè)氘核和一生聚變反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)氦核和一個(gè)中子并劇烈釋放出一百萬倍化學(xué)反應(yīng)能，希望能實(shí)現(xiàn)可控核聚變，，從而為人類掌握恒星級(jí)能量的技術(shù)開辟道路。陽的核聚變屬于引力約束聚變，實(shí)驗(yàn)室里可以人為實(shí)現(xiàn)的核聚變?yōu)閼T性。慣性約束聚變是指當(dāng)激光輻照在氘氚靶丸時(shí)，會(huì)造成聚變材料被壓縮成僅有 200g/cm3而其溫度則高達(dá) 108℃左右的狀態(tài)，滿足勞遜判據(jù)要求，即束所需要的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成氘氚燃燒的反應(yīng)，從而得到比之前高 10-100增益[1,2,3]。然而，這種可控核聚變方法對(duì)點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力要求極為研究人員發(fā)現(xiàn)大型高功率激光裝置可以提供符合要求的點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)能力，高功率激光裝置的負(fù)載能力和許多因素相關(guān)，如圖 1-1 所示。

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文截止到目前，利用慣性約束聚變?cè)淼募す庋b置中最具有研發(fā)前景和是能量高、脈沖長的基于釹玻璃為激光放大器的光學(xué)材料、多程模式為的傳輸路徑的大型高功率激光裝置。20 世紀(jì) 70 年代美國勞倫斯·利弗（LLNL）的國家點(diǎn)火裝置（NIF）[4,5]，如圖 1-2 所示，它是目前全世造規(guī)模最大、激光能量密度最高的大型高功率激光裝置，由 192 束激光之外，還有法國原子能委員會(huì)（CEA）的兆焦耳裝置（LMJ）[6]，中國裝置等[7,8]。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TL632.1

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本文編號(hào)：2711387