KDP晶体元件后表面激光损伤过程中冲击波和喷溅行为研究

发布时间：2020-08-14 17:40

【摘要】：KDP晶体作为ICF激光驱动器中的倍频元件,需要承受高通量的紫外激光辐照,在实际应用中极易发生损伤,成为了限制负载通量的一个重要因素。因此,KDP晶体的损伤问题成为人们密切关注且迫切解决的问题。目前对KDP晶体的损伤研究,主要侧重于元件损伤的静态形貌分析,尚无足够的支撑KDP晶体损伤动力学过程研究的清晰,完整且系统的实验结果。开展KDP晶体激光诱导下的损伤力学响应行为的研究,对于晶体损伤动力学的探索和损伤模型的建立具有重要意义。本文设计并搭建了泵浦—探测法和干涉测量相结合的纳秒级时间分辨成像系统,用于获取KDP后表面激光损伤过程的动态行为图像。针对355 nm纳秒脉冲激光作用在KDP晶体后表面产生的冲击波和材料喷溅进行实验研究,给出了激光诱导等离子体冲击波、电子密度以及材料喷溅的空间分布和时间演化行为规律。实验中的激光通量设置在实际工程应用中的常规运行通量范围4-8J/cm2,晶体后表面辐照光斑大小选择在2 mm量级。本文研究结果表明:紫外激光诱导KDP晶体后表面损伤时,产生速度迅速下降的冲击波,点爆炸模型可适用于缺陷诱导冲击波的发展情形,并依此得到冲击波在轴向和径向的传播速度;通过干涉条纹的偏移量,计算得到冲击波和等离子体的折射率分布及电子密度分布,结果表明等离子体导致的折射率改变量在10-4量级,对应自由电子密度为1018/cm3量级;时间分辨图像很清晰地展示了喷溅随时间发展的演化阶段,起初几百ns过程中喷溅随着冲击波一起扩散,主要形态为细小粉末,10μs延时下后表面有大颗粒喷溅物出现,一直持续到几百微秒后喷溅过程结束;同时总结了多发次激光作用下的晶体后表面喷溅行为发展规律,主要受缺陷诱导机理作用;对多发次损伤造成的喷溅距离进行了观察和分析,总结了喷溅物的尺寸和喷溅距离随发次的增长规律。本文给出了KDP晶体后表面在激光损伤过程中的力学响应动态行为的空间发展和时间演化规律,为进一步建立紫外损伤动力学模型,揭示KDP晶体紫外损伤机理提供实验参考,为工程上的实际应用提供支持。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249
【图文】：

脉冲波形,拉曼光谱仪,明场,点图

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析自从激光引入到工程应用中，激光的损伤问题就一直被人们密切关注。1964年 C.R.Giuliano 首次对激光诱导光学材料的损伤机理进行了研究[10]。研究的初期把关注点放在损伤过程结束后的静态检测，分析激光参数对造成的损伤形态的影响；之后由于电子科学技术的发展和时间分辨技术的进步，人们开始着重于研究损伤的动态行为过程。1.2.1 激光损伤特征与机理的研究现状2005 年的美国 Lawrence Livermore National Laboratory 的 C. W. Carr，M.D. Feit 等人给出了 KDP 晶体损伤的基本形貌特征，研究了激光参数(包括脉冲波形、脉冲持续时间、波长和通量)对 KDP 晶体损伤密度和损伤尺寸大小的影响[11]。其实验结果表明 pinpoint 的密度强烈依赖于激光通量，脉冲波形，持续时间和波长，其中对波长有高的灵敏度，而 pinpoint 的大小对波长不敏感，只与激光通量有关。下图 1-1 是分别在明场显微镜、SEM 扫描电镜和 2D 拉曼光谱仪中观察得到的针尖损伤的图像。

实验装置图

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文年美国 Lawrence Livermore National Laboratory 的 P. 等人进一步分析了 KDP 晶体的损伤形态特征及其与激拟频率转换晶体在工程上实际工作的情况，他们考虑在损伤实验[12]。实验中使用脉宽为 4 ns 的 532 nm 激光和m紫外激光，使用 He-Ne 光照射晶体的损伤区域，散射光损伤点的大小和个数，图 1-2 为实验装置图。图 1-3 是在激光单独和共同作用下的损伤行为的差异，可以看出，下产生的损伤点密度是远大于任一单独波长的激光辐照

点密度,激光,共同作用,激光辐照

光和 355 nm激光单独和共同作用下的损伤行为的差异，可以看出，在两种波长的激光辐照下产生的损伤点密度是远大于任一单独波长的激光辐照下的损伤点密度。图 1-2 P.DeMange 和 R.A.Negres 的部分实验装置图[12]

【参考文献】