紫外激光诱导光学元件损伤中的应力行为研究

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在激光驱动惯性约束核聚变(ICF)工程中,紫外激光引发的光学元件损伤问题,是限制高功率固体激光装置负载能力的一个主要瓶颈。光学元件紫外激光损伤的机理涉及诸多物理过程,且极其复杂,已成为ICF激光驱动器工程研究亟需突破的关键点。目前国内外对于紫外激光诱导光学元件损伤的研究,多侧重于不同加工工艺下光学元件损伤阈值的测定、元件表面初始微缺陷的表征和检测、损伤核心区域显微形貌以及损伤过程中材料物态变化的分析等等。然而,对于造成损伤材料最终碎裂、剥离,并在远大于损伤核尺度的范围内形成应力分布和传播的力学波行为,包括这些出现于损伤过程中的力学波的种类、分布、强度和传播规律,尚无完整清晰的阐述。本文基于泵浦-探测法基本原理,采用正交偏振光弹法,设计并搭建了测量损伤应力波的纳秒级时间分辨成像光学系统,以此获取熔石英与KDP晶体元件后表面的损伤应力波动态行为图像。进而,采用光测力学手段,获得了熔石英材料激光诱导损伤过程中的应力强度量级,得到材料体内应力波的分布结构,以及各种应力波衰减演化行为等系列实验结果。研究结果表明:工程上紫外激光辐照下,元件出现损伤主要受缺陷诱导机理作用;紫外激光作用下,KDP晶体损伤应力波呈现十字交叉的纺锤状,分为快波和慢波,熔石英损伤应力波呈半球状,分为压缩波,剪切波,面波;两种材料与激光相互作用随着累积发次的增加,只改变应力波强度,应力波传播速度保持不变;普遍地,熔石英损伤初现时,总是伴随着强烈的面波和较弱的压缩波;熔石英损伤应力波强度为GPa量级,其中面波的应力强度总是大于压缩波和剪切波,并且面波的衰减速度在该三种应力波中相对最慢,故在诸多造成材料机械损伤的力学因素中,面波占据了主导地位;依据初态发展至终态的一系列宏观损伤形貌图,推测了熔石英损伤应力波行为与损伤形貌的关联关系。最终获得的实验研究结果,为揭示激光诱导光学元件损伤过程中的应力波类型、强度、分布演化等动态行为特征,进而阐明激光损伤动力学机理,具有一定的参考价值和意义。
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