熔石英作為激光裝置高通量段的首選材料,其激光誘導(dǎo)損傷是限制激光通量的“瓶頸”。抑制熔石英元件表面損傷及損傷增長并延長其使用壽命,是提升高功率固體激光裝置負(fù)載能力的重要手段。在諸多緩解熔石英元件表面損傷及其增長的方法中,CO_2激光輻照的修復(fù)效果得到了普遍認(rèn)可。本文針對其物理機(jī)制開展了理論分析和數(shù)值計算,主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下:1.計算了高斯圓形CO_2激光輻照熔石英元件的溫度分布與演化過程。當(dāng)激光輻照結(jié)束時,輻照中心的溫度最高,向周圍逐漸降低,在輻照中心處,沿元件表面方向溫度梯度較小,而指向元件內(nèi)部的溫度梯度較大,等溫線在元件表面呈圓形,在元件內(nèi)部呈高斯形,且高斯形等溫線的寬度較大、深度較小。輻照升溫和冷卻降溫時溫度變化都是先快后慢,且靠近光斑邊緣處的溫度梯度較大。2.利用有限元方法分析了脈沖激光參數(shù)對修復(fù)尺寸的影響。CO_2激光修復(fù)過程中,蒸發(fā)和熔融區(qū)域的輪廓均呈高斯坑形,激光功率、輻照時間、光斑大小對修復(fù)尺寸的影響比較明顯,尤其是對修復(fù)深度的影響比較大,而脈沖頻率和占空比對修復(fù)尺寸的影響比較小,隨著激光頻率的增加,蒸發(fā)尺寸明顯減小,而熔融尺寸變化不大,有利于抑制蒸發(fā)并促進(jìn)修復(fù)表面更光滑,這與實驗結(jié)果吻合。3.研究了CO_2激光輻照熔石英元件的熱應(yīng)力分布與演化,以及激光輻照參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響。輻照過程中輻照區(qū)域由于快速升溫膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力,外圍產(chǎn)生拉應(yīng)力,冷卻過程中輻照區(qū)域快速降溫收縮逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,外圍轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。元件表面的主應(yīng)力以輻照中心為圓心呈環(huán)形分布,輻照中心的材料由于曾經(jīng)發(fā)生熔融導(dǎo)致應(yīng)力不大,最大拉應(yīng)力位于輻照中心周圍。元件表面的剪切應(yīng)力關(guān)于輻照中心對稱,最大剪切應(yīng)力靠近輻照邊緣,高應(yīng)力區(qū)有四個,呈梭形。同時還發(fā)現(xiàn),最大殘余剪切應(yīng)力的半徑與激光功率和輻照時間無關(guān),隨光束半徑的增大而增大,這與實驗結(jié)果吻合很好。4.將蠕變理論引入高溫退火的數(shù)值計算中,模擬其對熔石英元件的去應(yīng)力效果,并與實驗結(jié)果比對,初步確定了熔石英材料在800℃時的蠕變系數(shù)。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)高溫退火確實能夠有效減小元件的殘余應(yīng)力,然而,蠕變程度與退火前的殘余應(yīng)力及應(yīng)變密切相關(guān),這可能對元件面型產(chǎn)生負(fù)面影響。另外,設(shè)計了大口徑熔石英元件的退火支撐方案,通過對比認(rèn)為,側(cè)面豎直支撐方案可以有效地控制元件自身重量對應(yīng)力和面型的影響。5.采用傳熱與流動相互耦合的方式建立了CO_2激光輻照熔石英材料的二維熔融流動模型,首次在理論上定量描述了修復(fù)形貌特征。通過分析導(dǎo)致流動的三種驅(qū)動力的作用,發(fā)現(xiàn)表面張力是引發(fā)流動的主導(dǎo)驅(qū)動力,在表面張力作用下,表層材料的熔融流動使元件面形發(fā)生明顯變化,形成了高斯坑周圍存在環(huán)形凸起的獨特形貌,與實驗結(jié)果吻合。6.計算了激光功率、輻照時間、光束半徑對CO_2激光輻照過程中熔融流動的影響,結(jié)果表明,流動速度對輻照時間非常敏感,隨著輻照時間的增加流動速度快速增加,與此同時,高斯坑深度和凸起環(huán)高度也迅速增加,而凸起環(huán)半徑變化不大。另一方面,在材料最高溫度相同的情況下,改變激光功率和光束半徑對流體的流動速度影響都不大,隨著激光功率降低或者光束半徑增大,高斯坑深度、凸起環(huán)高度和半徑均有不同程度增大,不過,功率對坑深和環(huán)高影響較明顯,對凸起環(huán)半徑影響不大,而光束半徑對坑深和環(huán)高影響較弱,對凸起環(huán)半徑的影響相對明顯。實驗中也觀察到了類似的現(xiàn)象。7.基于常見的元件表面損傷和缺陷,對劃痕、麻點和坑洞三種類型的損傷進(jìn)行建模,然后采用二維熔融流動模型進(jìn)行修復(fù)模擬,發(fā)現(xiàn)無論是何種類型的損傷,經(jīng)過CO_2激光單點修復(fù)后,最終都會呈現(xiàn)高斯坑+凸起環(huán)的修復(fù)形貌。另外,原始損傷尺寸越大修復(fù)越困難,尤其是損傷的深度和損傷底部深處的橫向?qū)挾取?.采用三維熱分析耦合彈塑性結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行全口徑掃描修復(fù)的研究。對于高斯圓光斑來說,由于多行掃描,元件表面呈現(xiàn)漣漪狀的起伏形貌,基于此,首次提出并模擬了均勻線聚焦光斑的全口徑掃描修復(fù)方法。由于線聚焦光斑長度與元件長度相同,掃描路徑簡單,殘余應(yīng)力較小且分散,表面形變較平緩,不過對激光器的輸出穩(wěn)定性要求較高。總體來說,均勻線聚集光斑的修復(fù)效果優(yōu)于高斯圓光斑。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TQ127.2;TN24
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究工作的背景與意義
        1.1.1 固體激光裝置的負(fù)載能力
        1.1.2 熔石英元件的損傷
        1.1.3 熔石英元件的修復(fù)
2激光修復(fù)熔石英缺陷和損傷的實驗研究進(jìn)展'>    1.2 CO₂激光修復(fù)熔石英缺陷和損傷的實驗研究進(jìn)展
2激光修復(fù)的分類與效果'>        1.2.1 CO₂激光修復(fù)的分類與效果
2激光修復(fù)過程中的負(fù)面現(xiàn)象及緩解途徑'>        1.2.2 CO₂激光修復(fù)過程中的負(fù)面現(xiàn)象及緩解途徑
2激光修復(fù)效果的考核'>        1.2.3 CO₂激光修復(fù)效果的考核
2激光輻照熔石英材料的理論研究現(xiàn)狀'>    1.3 CO₂激光輻照熔石英材料的理論研究現(xiàn)狀
    1.4 本文的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新
    1.5 本文的主要研究內(nèi)容
2激光輻照熔石英材料的機(jī)理分析'>第二章 CO₂激光輻照熔石英材料的機(jī)理分析
    2.1 激光輻照效應(yīng)概述
        2.1.1 激光能量的吸收和轉(zhuǎn)化
        2.1.2 激光輻照效應(yīng)的物理模型
    2.2 數(shù)值分析方法概述
        2.2.1 數(shù)值分析的計算流程
        2.2.2 數(shù)值分析的求解方法
    2.3 有限元數(shù)值方法簡介
        2.3.1 網(wǎng)格劃分
        2.3.2 加權(quán)余量法
        2.3.3 變分法
2激光輻照熔石英材料的有限元數(shù)值分析'>    2.4 CO₂激光輻照熔石英材料的有限元數(shù)值分析
        2.4.1 溫度場的計算
        2.4.2 熱應(yīng)力的計算
        2.4.3 熔融流動的計算
    2.5 本章小結(jié)
2激光修復(fù)尺寸'>第三章 溫度分布與CO₂激光修復(fù)尺寸
    3.1 建立熱分析理論模型
        3.1.1 物理模型
        3.1.2 有限元算法分析
    3.2 連續(xù)激光輻照的熱分析
    3.3 脈沖激光輻照的溫度分布與熔融修復(fù)尺寸
        3.3.1 蒸發(fā)和熔融修復(fù)輪廓
        3.3.2 脈沖激光參數(shù)對修復(fù)尺寸的影響
    3.4 本章小結(jié)
第四章 殘余應(yīng)力分布與高溫去應(yīng)力退火
    4.1 建立應(yīng)力分析理論模型
        4.1.1 物理模型
        4.1.2 有限元算法分析
    4.2 殘余應(yīng)力分布
        4.2.1 熱應(yīng)力的演化與分布
        4.2.2 激光參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響
    4.3 高溫去應(yīng)力退火
        4.3.1 有限元算法分析
        4.3.2 高溫去應(yīng)力效果模擬
        4.3.3 大口徑元件的高溫退火支撐方案
    4.4 本章小結(jié)
第五章 熔融流動與修復(fù)形貌
    5.1 建立熔融流動理論模型
        5.1.1 物理模型
        5.1.2 有限元算法分析
    5.2 熔融流動的驅(qū)動力分析
    5.3 獨特的修復(fù)形貌
        5.3.1 高斯坑周圍環(huán)形凸起的形貌特征
        5.3.2 激光參數(shù)對修復(fù)形貌的影響
    5.4 本章小結(jié)
第六章 損傷修復(fù)模型與修復(fù)參數(shù)優(yōu)化
    6.1 缺陷及損傷的單點修復(fù)模型
        6.1.1 劃痕狀損傷的單點修復(fù)
        6.1.2 麻點狀損傷的單點修復(fù)
        6.1.3 損傷坑的單點修復(fù)
    6.2 全口徑掃描修復(fù)模型
        6.2.1 高斯圓光斑
        6.2.2 矩形線聚集光斑
        6.2.3 兩種光斑的對比分析
    6.3 本章小結(jié)
第七章 總結(jié)和展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 后續(xù)工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間取得的成果

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本文編號：2870865