激光诱导光学薄膜的应力场效应分析与仿真

发布时间：2020-03-19 21:22

【摘要】：光学薄膜作为高能激光系统中最重要的组成部分,同时也是最容易发生损伤的部分,激光作用下光学薄膜产生损伤的两个主要原因是薄膜内发生了热破坏或热致应力破坏。激光作用下,薄膜与基底以及薄膜膜层之间会产生温度变化导致薄膜热熔融、气化等损伤破坏;温度差异还会导致薄膜热形变,由此产生的热应力引起薄膜断裂、脱落等损伤破坏。深入研究光学薄膜的激光诱导损伤过程,分析薄膜损伤的原因及机理,结合理论分析结果和模拟仿真规律来指导镀膜实验、优化镀膜工艺,制备具有高激光损伤阈值(laser-induced damage threshold,LIDT)的薄膜,延长光学薄膜元件的使用寿命,满足高能激光系统的需求,提高激光系统的性能,这些研究工作将具有十分重要的意义。本文从材料吸收激光能量的热吸收效应出发,结合激光作用下光学薄膜内的热致应力损伤机理,建立了激光作用下单层膜和多层膜的诱导破坏模型。求解热传导方程、热弹性力学方程和平衡微分方程,得到了较为准确的温度场和热致应力场解析式。为了验证模型的正确性,用Matlab软件对单层膜和双层膜的温度场及热致应力场进行分析计算和模拟仿真,对结果和规律进行总结,得到以下结论:1)激光诱导作用下多层膜内温度场分布和热致应力场分布与单层膜薄膜内温度场分布和热致应力场分布基本类似:均随半径增大和厚度增加而逐渐减小。2)多层膜内温度和热致应力在膜层交界面处有跃变,例如对于MgF_2/ZnS双层膜,激光输出能量为50mJ时,交界面温度分别为650℃和1335℃;径向热应力值分别为-509MPa和-444MPa,环向热应力值也分别为-509MPa和-444MPa,轴向热应力值分别为-1114MPa和-972MPa。MgF_2薄膜压缩强度约为300MPa,ZnS单层膜的断裂强度100MPa左右,此时双层膜可能发生热致应力损伤。3)对于不同的薄膜材料,其损伤过程及类型不同:类金刚石(Diamond Like Carbon,DLC)薄膜内最高温度为696℃,远小于其熔点;但径向热应力3132MPa和轴向热应力6917MPa超过断裂强度200-400MPa。可知,薄膜可能发生热致应力损伤。4)单层膜容易发生损伤的位置位于薄膜表面和激光光束中心附近,对于多层膜,除了上述两个位置,膜层分界面处的温度跃变和热致应力跃变也是造成薄膜损伤的主要原因之一。5)镀膜时应尽量选用吸收系数小、热扩散系数大,热膨胀系数小且多层膜材料热膨胀系数相差不大的薄膜材料,以及加镀保护膜层以减少薄膜表面及光束中心的能量吸收,从而提高薄膜的LIDT。以上结论对制备高LIDT光学薄膜提供了理论依据。为丰富模型的适用性,编写程序设计了激光诱导模型仿真计算程序界面,实现了激光参数、薄膜材料和仿真结果的输入和选择,可通过相关参数的修改来实现更丰富的模型计算仿真,获得更多、更准确的规律来指导镀膜实验和提升光学薄膜器件的性能。
【图文】：

示意图,驻波场,反射膜,波腹

内驻波场的波节和波腹依次分布在高、低折依次为：HLHHnnnnEEEnnEEE030201002020++====。以看出，波节振幅为零，第一个波腹的振破坏，最容易发生的位置在膜内驻波场的第看出，热效应是由薄膜材料吸收激光能量引引起损伤破坏也是从表面开始的，而场效

薄膜模型,激光诱导,单层,光学薄膜

T(r zt) kT(r zt) f(r ztc ,,,,,,2 = ρ ：2222222211r rrr z + + + =θ模型垂直辐照在镀有单层光学薄膜的三维，，所以建立坐标系时，采用轴对称圆柱输的方向相同。薄膜厚度为 h，半径量，并向膜层内部和四周传递热量。Rh
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249

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