CO_2激光辐照熔石英材料的热力学和动力学模拟

发布时间：2020-11-05 00:54

　　 熔石英作为激光装置高通量段的首选材料,其激光诱导损伤是限制激光通量的“瓶颈”。抑制熔石英元件表面损伤及损伤增长并延长其使用寿命,是提升高功率固体激光装置负载能力的重要手段。在诸多缓解熔石英元件表面损伤及其增长的方法中,CO_2激光辐照的修复效果得到了普遍认可。本文针对其物理机制开展了理论分析和数值计算,主要的研究内容和结果如下:1.计算了高斯圆形CO_2激光辐照熔石英元件的温度分布与演化过程。当激光辐照结束时,辐照中心的温度最高,向周围逐渐降低,在辐照中心处,沿元件表面方向温度梯度较小,而指向元件内部的温度梯度较大,等温线在元件表面呈圆形,在元件内部呈高斯形,且高斯形等温线的宽度较大、深度较小。辐照升温和冷却降温时温度变化都是先快后慢,且靠近光斑边缘处的温度梯度较大。2.利用有限元方法分析了脉冲激光参数对修复尺寸的影响。CO_2激光修复过程中,蒸发和熔融区域的轮廓均呈高斯坑形,激光功率、辐照时间、光斑大小对修复尺寸的影响比较明显,尤其是对修复深度的影响比较大,而脉冲频率和占空比对修复尺寸的影响比较小,随着激光频率的增加,蒸发尺寸明显减小,而熔融尺寸变化不大,有利于抑制蒸发并促进修复表面更光滑,这与实验结果吻合。3.研究了CO_2激光辐照熔石英元件的热应力分布与演化,以及激光辐照参数对残余应力的影响。辐照过程中辐照区域由于快速升温膨胀而产生压应力,外围产生拉应力,冷却过程中辐照区域快速降温收缩逐渐转变为拉应力,外围转变为压应力。元件表面的主应力以辐照中心为圆心呈环形分布,辐照中心的材料由于曾经发生熔融导致应力不大,最大拉应力位于辐照中心周围。元件表面的剪切应力关于辐照中心对称,最大剪切应力靠近辐照边缘,高应力区有四个,呈梭形。同时还发现,最大残余剪切应力的半径与激光功率和辐照时间无关,随光束半径的增大而增大,这与实验结果吻合很好。4.将蠕变理论引入高温退火的数值计算中,模拟其对熔石英元件的去应力效果,并与实验结果比对,初步确定了熔石英材料在800℃时的蠕变系数。模拟结果发现高温退火确实能够有效减小元件的残余应力,然而,蠕变程度与退火前的残余应力及应变密切相关,这可能对元件面型产生负面影响。另外,设计了大口径熔石英元件的退火支撑方案,通过对比认为,侧面竖直支撑方案可以有效地控制元件自身重量对应力和面型的影响。5.采用传热与流动相互耦合的方式建立了CO_2激光辐照熔石英材料的二维熔融流动模型,首次在理论上定量描述了修复形貌特征。通过分析导致流动的三种驱动力的作用,发现表面张力是引发流动的主导驱动力,在表面张力作用下,表层材料的熔融流动使元件面形发生明显变化,形成了高斯坑周围存在环形凸起的独特形貌,与实验结果吻合。6.计算了激光功率、辐照时间、光束半径对CO_2激光辐照过程中熔融流动的影响,结果表明,流动速度对辐照时间非常敏感,随着辐照时间的增加流动速度快速增加,与此同时,高斯坑深度和凸起环高度也迅速增加,而凸起环半径变化不大。另一方面,在材料最高温度相同的情况下,改变激光功率和光束半径对流体的流动速度影响都不大,随着激光功率降低或者光束半径增大,高斯坑深度、凸起环高度和半径均有不同程度增大,不过,功率对坑深和环高影响较明显,对凸起环半径影响不大,而光束半径对坑深和环高影响较弱,对凸起环半径的影响相对明显。实验中也观察到了类似的现象。7.基于常见的元件表面损伤和缺陷,对划痕、麻点和坑洞三种类型的损伤进行建模,然后采用二维熔融流动模型进行修复模拟,发现无论是何种类型的损伤,经过CO_2激光单点修复后,最终都会呈现高斯坑+凸起环的修复形貌。另外,原始损伤尺寸越大修复越困难,尤其是损伤的深度和损伤底部深处的横向宽度。8.采用三维热分析耦合弹塑性结构分析进行全口径扫描修复的研究。对于高斯圆光斑来说,由于多行扫描,元件表面呈现涟漪状的起伏形貌,基于此,首次提出并模拟了均匀线聚焦光斑的全口径扫描修复方法。由于线聚焦光斑长度与元件长度相同,扫描路径简单,残余应力较小且分散,表面形变较平缓,不过对激光器的输出稳定性要求较高。总体来说,均匀线聚集光斑的修复效果优于高斯圆光斑。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ127.2;TN24
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究工作的背景与意义
        1.1.1 固体激光装置的负载能力
        1.1.2 熔石英元件的损伤
        1.1.3 熔石英元件的修复
2激光修复熔石英缺陷和损伤的实验研究进展'>    1.2 CO₂激光修复熔石英缺陷和损伤的实验研究进展
2激光修复的分类与效果'>        1.2.1 CO₂激光修复的分类与效果
2激光修复过程中的负面现象及缓解途径'>        1.2.2 CO₂激光修复过程中的负面现象及缓解途径
2激光修复效果的考核'>        1.2.3 CO₂激光修复效果的考核
2激光辐照熔石英材料的理论研究现状'>    1.3 CO₂激光辐照熔石英材料的理论研究现状
    1.4 本文的主要贡献与创新
    1.5 本文的主要研究内容
2激光辐照熔石英材料的机理分析'>第二章 CO₂激光辐照熔石英材料的机理分析
    2.1 激光辐照效应概述
        2.1.1 激光能量的吸收和转化
        2.1.2 激光辐照效应的物理模型
    2.2 数值分析方法概述
        2.2.1 数值分析的计算流程
        2.2.2 数值分析的求解方法
    2.3 有限元数值方法简介
        2.3.1 网格划分
        2.3.2 加权余量法
        2.3.3 变分法
2激光辐照熔石英材料的有限元数值分析'>    2.4 CO₂激光辐照熔石英材料的有限元数值分析
        2.4.1 温度场的计算
        2.4.2 热应力的计算
        2.4.3 熔融流动的计算
    2.5 本章小结
2激光修复尺寸'>第三章 温度分布与CO₂激光修复尺寸
    3.1 建立热分析理论模型
        3.1.1 物理模型
        3.1.2 有限元算法分析
    3.2 连续激光辐照的热分析
    3.3 脉冲激光辐照的温度分布与熔融修复尺寸
        3.3.1 蒸发和熔融修复轮廓
        3.3.2 脉冲激光参数对修复尺寸的影响
    3.4 本章小结
第四章 残余应力分布与高温去应力退火
    4.1 建立应力分析理论模型
        4.1.1 物理模型
        4.1.2 有限元算法分析
    4.2 残余应力分布
        4.2.1 热应力的演化与分布
        4.2.2 激光参数对残余应力的影响
    4.3 高温去应力退火
        4.3.1 有限元算法分析
        4.3.2 高温去应力效果模拟
        4.3.3 大口径元件的高温退火支撑方案
    4.4 本章小结
第五章 熔融流动与修复形貌
    5.1 建立熔融流动理论模型
        5.1.1 物理模型
        5.1.2 有限元算法分析
    5.2 熔融流动的驱动力分析
    5.3 独特的修复形貌
        5.3.1 高斯坑周围环形凸起的形貌特征
        5.3.2 激光参数对修复形貌的影响
    5.4 本章小结
第六章 损伤修复模型与修复参数优化
    6.1 缺陷及损伤的单点修复模型
        6.1.1 划痕状损伤的单点修复
        6.1.2 麻点状损伤的单点修复
        6.1.3 损伤坑的单点修复
    6.2 全口径扫描修复模型
        6.2.1 高斯圆光斑
        6.2.2 矩形线聚集光斑
        6.2.3 两种光斑的对比分析
    6.3 本章小结
第七章 总结和展望
    7.1 全文总结
    7.2 后续工作展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果

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本文编号：2870865