高能激光系统强光光学元件热损伤机理研究

发布时间：2020-11-03 08:21

　　 随着高能激光技术的不断发展,高能激光系统正从实验室逐步走向战场。面对严苛的战场应用环境,提高高能激光系统中强光元件的抗损伤性能,成为迫切需要解决的问题。高能激光系统中的强光元件须承受数kW/cm~2的连续强光长时间辐照,若局部吸收过多的激光能量,极易出现热损伤,严重损害系统的可靠性,制约着高能激光系统走向实用。目前来说,国内外对强光元件损伤机理的研究主要集中在超短脉冲引起的光电场效应研究,对于长脉冲和连续激光的热效应研究相对较薄弱。因此本课题旨在研究高能连续激光系统中强光光学元件的热损伤机理,主要内容如下:研究了强光光学元件热损伤的一般过程,建立了通用物理模型。首先利用强光元件微弱吸收分布测量仪测量了强光元件表面的吸收分布,相较于基底疵病和膜层缺陷引起的吸收峰,污染物导致的吸收峰尺度和量值都要大两个量级。这表明污染物是造成强光元件热损伤的首要因素。进而在实验上研究了强光元件的热损伤行为,将强光元件的热损伤分为局部位置能量累积、膜层消融、热应力累积与炸裂以及元件熔融四个过程。基于热传导理论和热应力理论,建立了强光元件热损伤的通用物理模型。热损伤开始由粘附在强光元件上的污染物引起,污染物使表面形成局部较强的吸收峰,吸收峰吸收大量激光能量并以热传导的形式传递给膜层,使膜层局部温度迅速升高,开始出现小面积消融。消融后的区域显露出基底,基底热应力快速累积的同时,不断地向周围传导热量,致使周围的膜层继续消融。当基底热应力达到断裂强度,元件开始出现断裂,形成灾难性损伤。依据上述物理模型,研究了膜层消融过程、热应力累积与炸裂过程,理论计算结果与实验结果吻合较好。对腔内强光元件的热损伤特性进行了研究。腔内强光元件局部损坏会影响激光振荡、改变腔内光强分布。利用巴比涅原理和衍射光学理论、角谱理论和快速傅里叶变换方法,对微尺度下反射率凹陷和大尺度下反射率凹陷的影响分别进行了理论研究。研究发现,强光元件微尺度的反射率凹陷对激光光场的影响很小,随着损伤区域的扩展,会对激光光强分布产生影响,使照射到损坏区域的激光功率密度不断减小。根据腔内强光元件损伤面积与激光光强分布的耦合关系,利用物理模型研究了腔内强光元件的热损伤过程,腔内强光元件的损伤面积不会一直扩展,而会收敛到某一固定值。对强光元件使用中的若干问题进行了探索。通过实验证实了使用“First Contact”清洁的效果优于人工清洁效果,探索了标准化的清洁方法;根据洁净强光元件吸收率的退化规律,评估了洁净强光元件的使用寿命;讨论了强光元件热损伤的尺度律问题,在高能连续激光辐照下,辐照激光功率线密度(单位W/cm)相同,强光元件的损伤行为相同,不同尺度系统所需要的急停时间与尺度比的平方成正比。论文建立了高能激光系统中强光元件热损伤的物理模型,阐明了强光元件热损伤的机理,对于提高强光元件的抗损伤能力,保障高能激光系统稳定运行具有重要意义。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TJ95;TN24
【部分图文】：

第 2 页（c）元件表面污染物图 1.1 引起强光元件热损伤的因素象是中红外高能连续激光系统中的强光 ZnSe 和 YbF3。该元件是中红外波段的 ppm），承受着数 kW/cm2高功率密度激十秒。在这种使用条件下，强光元件由效应引起的热熔融损伤。本文开展对高究，既是提高高能激光系统可靠性的需决的热点问题。只有将高能连续激光条伤问题，才能保证高能激光系统从实验室

MS 值小于 2%，输出光束质量 M2<1.5，功率指标和功微弱吸收分布测量的要求。光热信号处理系统是由课题3.8um LaserControl CircuitProbe LaserChopperBeam SplitterFilterDetectorPhotodetectorComputerMid-infraredOptical FilmLensAperturePowerMonitorBeam SplitterLock-inAmplifierPump BeamProbe BeamSampleθ图 2.1 光热测量法原理图

第 9 页图 2.4 测量区域吸收率分布三维图测量的污染物吸收峰与文献记录的膜层缺陷、基底疵病等较，量值和尺度均高出两个量级。对于基底疵病和膜层缺般小于微米量级；但是污染物尺度分布很广，从亚微米量在强光元件加工、储存、转运、使用的各个环节中，都无由此，强光元件表面的污染物是造成吸收峰、导致强光元依据这个结论，下节将搭建实验平台，研究表面污染物影的具体过程。
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本文编号：2868337