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激光对光学多孔薄膜的损伤机理
黎咏清
材料复合新技术国家重点实验室
指导老师: 朱明教授
摘要
本文综合目前已发的相关文献和出版书籍,对不同脉宽的激光辐射到光学薄膜上发生的热损伤机理作了简要的综合性阐述。总而言之,不论是本征吸收还是由于多光子吸收或场击穿后产生等离子体带来的非线性吸收,他们最终的效果都是以热的形式表现出来,从而导致局部温升,带来相应的局部应力变化,最后再通过热力耦合作用导致光学薄膜的形变和最终损坏。
一引言
激光、原子能、半导体和计算机一起被称为20世纪的四项重大发明。四十年来,以激光器为基础的激光技术已被广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领域,并取得了很好的经济效益和社会效益。在激光技术的发展中,光学薄膜在其中扮演着重要的角色,可以说没有一个光学系统能够离开光学薄膜而独立存在;与此同时,光学薄膜也是激光系统中最为薄弱的环节之一。伴随着激光核聚变的提出和高功率激光系统的建立,更深层次的应用对光学薄膜的抗激光损伤性能提出了越来越高的要求。一旦光学薄膜出现损坏,哪怕是极小的瑕疵,都会导致输出光束的质量下降,严重时将引起整个系统的瘫痪。
根据热工工程课程自身特点以及本人在硕士研究生学习期间从事的研究方向,本文将主要从激光对光学薄膜的热损伤机理来进行综述式的阐述。
二激光与光学薄膜系统
激光简介
激光具有高方向性、高亮度、单色性好、高相干性等特点。(传感器与检测技术余志根主编北京:科学出版社 196-197)如上图所示为激光产生机理的示意图,假如电子处于高能太E2,然后跃迁到低能态K1,则它以辐射形式发出能量。可以有两种途径:一是电子无规则地转变到低能态,称为自发发射;二是一个具有能量等于两能级间能量差的光子与处于高能态的电子作用,使电子转到低能态,同时产生第二个光子,这一过程称为受激发射,即用一个光子去激发位于高能级的电子使之放出光子,受激发射产生的光就是激光。(功能材料与纳米技术李玲,向航北京:化学工业出版社 2002 108-109)。激光具有高方向性、高亮度、单色性好、高相干性等特点
Beamlet 激光器简介
如上图所示为美国LLNL在Beamlet激光器中所采用的多程放大结构的激光光路示意图。这个是一个典型的光学薄膜激光系统,在该系统中,前端系统产生能量为10mJ的整形脉冲,注入到四程通过的钕玻璃棒状预放大器,将光束能量提升至1J并注入到四程通过的主放大器。在主放大器中,光束四次通过片状钕玻璃放大片,最终在助推放大器的最后一片钕玻璃放大片达到几倍于增益饱和的能量密度。(现代光学制造工程杨力编著北京:科学出版社 2008:220-222)
三激光与薄膜的热作用机理总论
激光诱导损伤的机理主要有三类;第一类是热过程,它始于材料对激光能量的热吸收,主要发生在连续激光、长脉冲激光以及重复脉冲频率较高的激光辐照情况下;第二类是介质过程,即激光电厂强度足够高以至于电子从晶格剥离,产生雪崩离化效应形成介质击穿,其特点是激光脉冲足够小,雪崩离化占主导地位,热效应对于介质损伤作用可以忽略;第三类是多光子离化过程。激光诱导损伤的热作用过程主要包括透射介质的热过程、吸收介质的热过程和杂质的热吸收。
透射介质中的热过程
对于透射介质而言,介质中吸收激光能量的区域是以激光光轴为轴、激光束半径为半径的圆柱体区域。由于激光能量在横截面上分布不均匀,且存在热传导,导致介质内部温度分布不均,相应地产生应力和应变。介质的温度和应力分布由介质的物性参数和激光参数、作用方式联合决定。
假定介质的热物性参数不随温度变化,激光束通过的圆柱状吸收区域与区域外的热传导方程由下式描述:
(式3-1)
上式中,α为热扩散系数且,k为热导率,c为介质比热,ρ为介质密度,W为热源强度,即将吸收区域所吸收的激光能量看成体热源(单位时间单位体积产生的热量)。
由于圆周方向上不存在温度梯度,并暂不考虑界面导热,即视沿轴向z无热传导,则该方程简化为:
(式 3-2)
初始温度为环境温度,吸收区域与吸收区外存在热传导,其边界条件为:
(式3-3)
其中,R为吸收区沿径向到薄膜边界的距离。
实际上,相对于热扩散速度来说,激光脉冲时间非常短,热扩散在一个脉冲甚至多个脉冲时间内不可能到达薄膜边界,因此,采用上述边界条件不能求的导热微分方程。
考虑到热扩散因素,将一个脉冲时间τ内的热扩散距离L定义如下:
(式3-4)
当L<2r,即吸收区直径大于热扩散距离的情况下,忽略沿径向的热扩散。如若此时吸收区温度达到熔点而破坏,则介质的损伤阈值(使材料发生临界损伤时入射激光的能量密度或功率密度)为:
(式3-5)
其中,,为介质对激光能量的吸收系数。
如果