本文關(guān)鍵詞：準(zhǔn)分子激光損傷K9玻璃和熔石英的理論與實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：準(zhǔn)分子激光對(duì)光學(xué)材料的損傷研究具有重要的應(yīng)用背景。作為典型的光學(xué)材料,K9玻璃和熔石英常用作光學(xué)系統(tǒng)的窗口、棱鏡、反射鏡以及濾光片的基底材料等,是激光系統(tǒng)和光電探測(cè)裝置中使用最為廣泛的光學(xué)材料,在軍事上有著廣泛的應(yīng)用。隨著新型激光武器的發(fā)展,用于軍事上的各種探測(cè)器幾乎都面臨著高功率激光武器的嚴(yán)重威脅。準(zhǔn)分子激光由于波長(zhǎng)范圍廣、光子能量高、峰值功率大、靶耦合效率高等特點(diǎn),在激光精密加工以及軍事領(lǐng)域中,特別是空間應(yīng)用上,高功率的準(zhǔn)分子激光器有著很大的潛在價(jià)值。因此,研究準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃和熔石英的損傷具有重要的軍事價(jià)值,論文的工作不僅有助于進(jìn)一步深入理解紫外激光與物質(zhì)的相互作用,而且為激光加工和激光攻防領(lǐng)域提供重要的參考數(shù)據(jù),并可以為光學(xué)元件的抗激光損傷特性研究提供理論依據(jù)。論文選取深紫外波段193nmArF激光、波長(zhǎng)處于日盲區(qū)的248nmKrF激光和波長(zhǎng)處于大氣窗口的308nmXeCl激光這三種最具代表性的準(zhǔn)分子激光,對(duì)K9玻璃和熔石英進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)方面的損傷研究。先后建立了準(zhǔn)分子激光損傷K9玻璃以及雜質(zhì)微粒引起熔石英損傷的理論模型,采用有限元法對(duì)K9玻璃受到KrF準(zhǔn)分子激光輻照時(shí)的溫度和應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,理論研究了準(zhǔn)分子激光輻照K9玻璃的熱力效應(yīng)、損傷閾值、以及激光參數(shù)對(duì)損傷效果、損傷閾值的影響,并且分別開(kāi)展了ArF、KrF和XeCl準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃和熔石英的損傷實(shí)驗(yàn),獲取準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃和熔石英的損傷閾值和損傷形貌。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論模擬相結(jié)合,研究了準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃和熔石英的損傷機(jī)制和損傷規(guī)律。本論文的主要研究成果如下：1、準(zhǔn)分子激光輻照K9玻璃時(shí),當(dāng)溫度遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到玻璃熔點(diǎn),材料就已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的熱應(yīng)力損傷,這種損傷首先產(chǎn)生于材料內(nèi)部,由環(huán)向拉伸熱應(yīng)力控制；隨著激光能量密度的逐漸增大,輻照區(qū)內(nèi)先后出現(xiàn)由壓縮熱應(yīng)力造成的應(yīng)力損傷和熔融損傷,輻照區(qū)邊緣則出現(xiàn)由拉伸熱應(yīng)力造成的應(yīng)力損傷。熱應(yīng)力都是以沖擊波的形式在材料內(nèi)傳播的,熱應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在激光脈沖結(jié)束時(shí)刻,隨后會(huì)迅速減弱,大小隨時(shí)間變化而來(lái)回振蕩。這種熱應(yīng)力的反復(fù)沖擊會(huì)對(duì)光學(xué)材料產(chǎn)生持續(xù)的損傷增長(zhǎng)效應(yīng),增加了材料的損傷時(shí)間,也更容易使材料斷裂。2、根據(jù)理論模型計(jì)算出KrF準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃的拉伸應(yīng)力損傷閾值為0.64J/cm2,壓縮應(yīng)力損傷閾值為0.76J/cm2,熔融損傷閾值為1.05J/cm2。并且,激光參數(shù)對(duì)損傷效果、損傷閾值有著較大影響。在重頻激光輻照下,損傷累積效應(yīng)非常明顯,高重頻激光更容易對(duì)材料造成損傷。3、實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了不同波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃和熔石英的損傷閩值,并分析了損傷閩值與波長(zhǎng)的關(guān)系。由等離子體閃光法測(cè)量出ArF、KrF和XeCl準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃的損傷閾值分別為0.44J/cm2、1.8J/cm2和3.68J/cm2；相對(duì)應(yīng)的三種不同波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃的零幾率損傷閾值分別為0.21J/cm2、1.24J/cm2和2.45J/cm2。損傷均發(fā)生在K9玻璃的入射面,入射激光波長(zhǎng)越短,損傷閾值越低,呈現(xiàn)出明顯的波長(zhǎng)效應(yīng)。ArF和KrF準(zhǔn)分子激光輻照熔石英時(shí),都是熔石英入射面先發(fā)生損傷,根據(jù)等離子體閃光法測(cè)量出損傷閾值分別為0.83J/cm2和3.8J/cm2,相對(duì)應(yīng)的零幾率損傷閾值分別為0.4J/cm2和2.7J/cm2。XeCl準(zhǔn)分子激光輻照熔石英時(shí),是熔石英出射面先發(fā)生損傷,出射面損傷閾值比入射面損傷閾值低,由等離子體閃光法測(cè)量得到入射面和出射面損傷閾值分別為2.2J/cm2和1.7J/cm2,兩者存在著近1.3倍的差異。4、ArF和KrF準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃最主要的損傷機(jī)制是熱力耦合的損傷機(jī)制；XeCl準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃最主要的損傷機(jī)制是表面雜質(zhì)引起的熱損傷機(jī)制。在多脈沖輻照下,不同波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃的損傷增長(zhǎng)均符合指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律,且損傷累積效果明顯。5、ArF準(zhǔn)分子激光對(duì)熔石英的損傷機(jī)制主要有多光子電離損傷機(jī)制、熱力耦合損傷機(jī)制,以及表面雜質(zhì)吸收引起的熱損傷機(jī)制；KrF準(zhǔn)分子激光對(duì)熔石英的損傷機(jī)制,主要是表面強(qiáng)吸收性雜質(zhì)引起的熱損傷機(jī)制；XeCl準(zhǔn)分子激光對(duì)熔石英的損傷機(jī)制,主要是自聚焦損傷機(jī)制和表面雜質(zhì)吸收引起的熱損傷機(jī)制。在多脈沖輻照下,不同波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光對(duì)熔石英的損傷累積效應(yīng)也非常明顯,損傷增長(zhǎng)機(jī)制主要以高溫等離子體的沖擊作用和激光能量再沉積為主。雖然準(zhǔn)分子激光對(duì)熔石英的損傷是多種損傷機(jī)制共同作用的結(jié)果,但是不管哪種損傷機(jī)制占主導(dǎo)地位,表面雜質(zhì)引起的熱損傷機(jī)制始終存在。對(duì)熔石英表面雜質(zhì)的控制處理是影響光學(xué)元件抗激光損傷能力的關(guān)鍵。6、隨著波長(zhǎng)的變化,準(zhǔn)分子激光對(duì)熔石英的損傷增長(zhǎng)滿足不同的關(guān)系,并且熔石英的入射面和出射面也呈現(xiàn)出不同的損傷增長(zhǎng)規(guī)律。ArF準(zhǔn)分子激光對(duì)熔石英的損傷增長(zhǎng)主要發(fā)生在入射面,呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),且出射面沒(méi)有發(fā)生損傷；KrF準(zhǔn)分子激光對(duì)熔石英的初始損傷在入射面和出射面基本相同,但后續(xù)的損傷增長(zhǎng)則呈現(xiàn)出不同的規(guī)律,入射面損傷呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),出射面損傷增長(zhǎng)比較緩慢,入射面和出射面的損傷形貌由初始損傷狀態(tài)下呈現(xiàn)出相同的損傷形貌發(fā)展成為入射面損傷形貌遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)重于出射面；XeCl準(zhǔn)分子激光對(duì)熔石英的入射面損傷滿足線性規(guī)律增長(zhǎng),出射面損傷滿足指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),出射面的損傷程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)重于入射面。造成不同波長(zhǎng)下熔石英入射面和出射面損傷程度不同的根本原因是激光波長(zhǎng)對(duì)等離子體屏蔽作用的影響,波長(zhǎng)越短,等離子體的屏蔽作用越不明顯。7、區(qū)別于遠(yuǎn)紅外的脈沖CO2激光,短波長(zhǎng)的紫外準(zhǔn)分子激光對(duì)同種光學(xué)材料的損傷效果更好。可見(jiàn),波長(zhǎng)對(duì)損傷效果有著重要影響。特別是在紫外波段,隨著波長(zhǎng)的變短,光子能量逐漸增大,多光子電離(包括單光子、雙光子)的作用會(huì)越來(lái)越明顯,直接體現(xiàn)在損傷閾值的降低上。8、根據(jù)建立的準(zhǔn)分子激光損傷光學(xué)材料的理論模型以及在此基礎(chǔ)上建立的雜質(zhì)微粒引起熔石英損傷的理論模型,計(jì)算分析了KrF準(zhǔn)分子激光對(duì)K9玻璃損傷實(shí)驗(yàn)中的熔融現(xiàn)象、表面裂紋的產(chǎn)生機(jī)理以及XeCl準(zhǔn)分子激光對(duì)熔石英表面強(qiáng)吸收性雜質(zhì)引起的熱損傷行為,理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,說(shuō)明了理論模型的科學(xué)性。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN24

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本文編號(hào)：1293320