基于ANSYS的杂质诱导光学薄膜激光损伤研究.pdf

武汉理工大学
硕士学位论文
基于ANSYS的杂质诱导光学薄膜激光损伤的研究
姓名:杨芳芳
申请学位级别:硕士
专业:材料加工工程
指导教师:薛亦渝;夏志林
20081101
摘要光学薄膜几乎是所有光学系统中不可缺少的基本元件,并且也是激光系统中最薄弱的环节之一。前人研究发现,在长脉冲激光作用下,激光薄膜中的杂在杂质诱导激光损伤机制和过程的分析中,薄膜中温度分布的计算非常重要,温度分布计算的合理性影响到后续力学过程分析的可信度。因此,研究激光辐照下,薄膜的杂质吸收问题具有重要的理论价值和实际意义。现有理论在计算杂质以及其附近薄膜基体的温度分布时,忽略了杂质吸收的非线性效应,本文在这方面做了改进。本文根据经典热传导基本方程,建立了激光辐照下,杂质吸收导致周围薄膜和基底中瞬态温度场变化的物理模型,模型假设介质薄膜和基底为各向同性且热力参数不随温度变化,而杂质的热力学参数随温度变化。研究了网格大小和时间步长参数与有限元求解的稳定性关系,建立了优化的有限元模型。在理论分析基础上,模拟了各种形状、取向、尺寸、深度的体内杂质和体表杂质吸数值模拟结果表明,薄膜在激光单脉冲作用时间内,最高温升不会出现在激光功率密度达到峰值的时刻,而是稍微滞后;对于体内杂质,任何取向的球状、柱状和楔形杂质吸收都会造成薄膜激光损伤阈值的降低,且大而浅的杂质吸收造成的周围薄膜温升较大,从而导致薄膜的激光损伤阈值更低;体内球状和轴向平行于膜厚方向的柱状杂质所导致的周围薄膜的最高温升同其尺寸分别存在一个近似的二次函数关系;对于体表杂质,存在一个尺寸,当杂质处于此尺寸范围之内时会造成薄膜的激光损伤,且此范围可以通过精确的计算机仿真模拟来确定;本文的仿真模拟结果表明,在波长,脉宽,功率密度痗的す馄鞣障拢灞砬蜃丛又试斐杀∧に鹕说陌刖斗段г为一洹本文研究的结果可为杂质吸收导致激光薄膜热学损伤的理论研究和数值模拟提供参考,为后续力学过程分析的可信性提供保证,同时也对实际光学薄膜的生产中采取有效措施控制光学薄膜中杂质位置和尺寸有~定的指导意义。关键词:光学薄膜,激光损伤,非线性吸收,有限元法,损伤阈值质吸收是导致薄膜的激光损伤阈值下降的主要因素之一。收激光能量导致的周围介质薄膜的瞬态温度场。
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~愀,:榉州矧:鹎吼出研究生签名:茎牢兰‘筮日期:诩甁≥。独创性声明关亏论文使用授权的说明C艿穆畚脑诮饷芎笞袷卮斯娑本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部内容,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。
第滦髀研究背景及意义激光与原子能、半导体及计算机一起合称是二十世纪的四项重大发明。四十多年来,以激光器为基础的激光技术在我国得到了迅速的发展,现已广泛用个领域,取得了很好的经济效益和社会效益,对国民经济及社会发展发挥了重光学系统中不可缺少的基本元件,并且也是激光系统中最薄弱的环节之一【俊T强激光作用下,光学元件绻庋Ь濉⒐庋РAА⒐庋П∧さ可以在短时间内高能武器系统的高功率激光要求在长时间范围内稳定地工作,或系统的性能不产生明显的降低,这就对光学薄膜提出了更高的要求光学薄膜中即使出现十分微小的瑕疵,也会导致输出光束质量的下降,严重时将引起整个系统的瘫痪,无论是从设计角度还是制备方面来看,它们不仅直接影响整个系统的设计思路,设计过程,也极大的影响着整个系统的运行性能。因而光学薄膜的激光损伤问题一直是激光向高能量、高功率方向发展的“瓶颈”,同时也是影响整个激光系统使用寿命的决定性因素之一【俊K裕芯抗学薄膜的抗激光破坏问题具有非常重要的意义和实用价值。研究薄膜的激光损伤,最重要的是要找到造成薄膜损伤的原因以及损伤的机理。激光对光学元件损伤的直接原因是材料的本征吸收,但透明材料对激光的本征吸收很小,不足以直接导致破坏,薄膜的损伤一般是通过杂质缺陷吸收来实现的。薄膜中缺陷或杂质的存在,通常会改变薄膜中局部电场强度分布,使得缺陷或杂质处吸收相对偏大,从而诱导薄膜发生损伤。但是,不同形状、大小和位置的杂质对于光学薄膜的温度场以及损伤阈值的影响也不同。本文将用有限元的方法对此展开研究和探讨。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要的作用【在激光技术的发展中