准分子激光损伤K9玻璃和熔石英的理论与实验研究

发布时间：2017-12-15 20:20

  本文关键词：准分子激光损伤K9玻璃和熔石英的理论与实验研究

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【摘要】：准分子激光对光学材料的损伤研究具有重要的应用背景。作为典型的光学材料,K9玻璃和熔石英常用作光学系统的窗口、棱镜、反射镜以及滤光片的基底材料等,是激光系统和光电探测装置中使用最为广泛的光学材料,在军事上有着广泛的应用。随着新型激光武器的发展,用于军事上的各种探测器几乎都面临着高功率激光武器的严重威胁。准分子激光由于波长范围广、光子能量高、峰值功率大、靶耦合效率高等特点,在激光精密加工以及军事领域中,特别是空间应用上,高功率的准分子激光器有着很大的潜在价值。因此,研究准分子激光对K9玻璃和熔石英的损伤具有重要的军事价值,论文的工作不仅有助于进一步深入理解紫外激光与物质的相互作用,而且为激光加工和激光攻防领域提供重要的参考数据,并可以为光学元件的抗激光损伤特性研究提供理论依据。论文选取深紫外波段193nmArF激光、波长处于日盲区的248nmKrF激光和波长处于大气窗口的308nmXeCl激光这三种最具代表性的准分子激光,对K9玻璃和熔石英进行了理论与实验方面的损伤研究。先后建立了准分子激光损伤K9玻璃以及杂质微粒引起熔石英损伤的理论模型,采用有限元法对K9玻璃受到KrF准分子激光辐照时的温度和应力场分布进行了数值模拟,理论研究了准分子激光辐照K9玻璃的热力效应、损伤阈值、以及激光参数对损伤效果、损伤阈值的影响,并且分别开展了ArF、KrF和XeCl准分子激光对K9玻璃和熔石英的损伤实验,获取准分子激光对K9玻璃和熔石英的损伤阈值和损伤形貌。通过实验与理论模拟相结合,研究了准分子激光对K9玻璃和熔石英的损伤机制和损伤规律。本论文的主要研究成果如下：1、准分子激光辐照K9玻璃时,当温度远没有达到玻璃熔点,材料就已经产生了严重的热应力损伤,这种损伤首先产生于材料内部,由环向拉伸热应力控制；随着激光能量密度的逐渐增大,辐照区内先后出现由压缩热应力造成的应力损伤和熔融损伤,辐照区边缘则出现由拉伸热应力造成的应力损伤。热应力都是以冲击波的形式在材料内传播的,热应力的最大值出现在激光脉冲结束时刻,随后会迅速减弱,大小随时间变化而来回振荡。这种热应力的反复冲击会对光学材料产生持续的损伤增长效应,增加了材料的损伤时间,也更容易使材料断裂。2、根据理论模型计算出KrF准分子激光对K9玻璃的拉伸应力损伤阈值为0.64J/cm2,压缩应力损伤阈值为0.76J/cm2,熔融损伤阈值为1.05J/cm2。并且,激光参数对损伤效果、损伤阈值有着较大影响。在重频激光辐照下,损伤累积效应非常明显,高重频激光更容易对材料造成损伤。3、实验测量得到了不同波长的准分子激光对K9玻璃和熔石英的损伤闽值,并分析了损伤闽值与波长的关系。由等离子体闪光法测量出ArF、KrF和XeCl准分子激光对K9玻璃的损伤阈值分别为0.44J/cm2、1.8J/cm2和3.68J/cm2；相对应的三种不同波长的准分子激光对K9玻璃的零几率损伤阈值分别为0.21J/cm2、1.24J/cm2和2.45J/cm2。损伤均发生在K9玻璃的入射面,入射激光波长越短,损伤阈值越低,呈现出明显的波长效应。ArF和KrF准分子激光辐照熔石英时,都是熔石英入射面先发生损伤,根据等离子体闪光法测量出损伤阈值分别为0.83J/cm2和3.8J/cm2,相对应的零几率损伤阈值分别为0.4J/cm2和2.7J/cm2。XeCl准分子激光辐照熔石英时,是熔石英出射面先发生损伤,出射面损伤阈值比入射面损伤阈值低,由等离子体闪光法测量得到入射面和出射面损伤阈值分别为2.2J/cm2和1.7J/cm2,两者存在着近1.3倍的差异。4、ArF和KrF准分子激光对K9玻璃最主要的损伤机制是热力耦合的损伤机制；XeCl准分子激光对K9玻璃最主要的损伤机制是表面杂质引起的热损伤机制。在多脉冲辐照下,不同波长的准分子激光对K9玻璃的损伤增长均符合指数增长规律,且损伤累积效果明显。5、ArF准分子激光对熔石英的损伤机制主要有多光子电离损伤机制、热力耦合损伤机制,以及表面杂质吸收引起的热损伤机制；KrF准分子激光对熔石英的损伤机制,主要是表面强吸收性杂质引起的热损伤机制；XeCl准分子激光对熔石英的损伤机制,主要是自聚焦损伤机制和表面杂质吸收引起的热损伤机制。在多脉冲辐照下,不同波长的准分子激光对熔石英的损伤累积效应也非常明显,损伤增长机制主要以高温等离子体的冲击作用和激光能量再沉积为主。虽然准分子激光对熔石英的损伤是多种损伤机制共同作用的结果,但是不管哪种损伤机制占主导地位,表面杂质引起的热损伤机制始终存在。对熔石英表面杂质的控制处理是影响光学元件抗激光损伤能力的关键。6、随着波长的变化,准分子激光对熔石英的损伤增长满足不同的关系,并且熔石英的入射面和出射面也呈现出不同的损伤增长规律。ArF准分子激光对熔石英的损伤增长主要发生在入射面,呈指数规律增长,且出射面没有发生损伤；KrF准分子激光对熔石英的初始损伤在入射面和出射面基本相同,但后续的损伤增长则呈现出不同的规律,入射面损伤呈指数规律增长,出射面损伤增长比较缓慢,入射面和出射面的损伤形貌由初始损伤状态下呈现出相同的损伤形貌发展成为入射面损伤形貌远远严重于出射面；XeCl准分子激光对熔石英的入射面损伤满足线性规律增长,出射面损伤满足指数规律增长,出射面的损伤程度远远严重于入射面。造成不同波长下熔石英入射面和出射面损伤程度不同的根本原因是激光波长对等离子体屏蔽作用的影响,波长越短,等离子体的屏蔽作用越不明显。7、区别于远红外的脉冲CO2激光,短波长的紫外准分子激光对同种光学材料的损伤效果更好。可见,波长对损伤效果有着重要影响。特别是在紫外波段,随着波长的变短,光子能量逐渐增大,多光子电离(包括单光子、双光子)的作用会越来越明显,直接体现在损伤阈值的降低上。8、根据建立的准分子激光损伤光学材料的理论模型以及在此基础上建立的杂质微粒引起熔石英损伤的理论模型,计算分析了KrF准分子激光对K9玻璃损伤实验中的熔融现象、表面裂纹的产生机理以及XeCl准分子激光对熔石英表面强吸收性杂质引起的热损伤行为,理论分析与实验结果吻合良好,说明了理论模型的科学性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN24

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本文编号：1293320