高功率短脉冲激光对光学元件表面损伤及内部应力研究

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熔石英玻璃因其良好的光学性能和优异的化学稳定性,被广泛用于高功率强激光系统装置中。而在高功率激光密度下,熔石英光学元件容易因各种复杂的物理和化学机制而发生损伤,激光损伤会在熔石英光学元件内部产生应力,并对后续入射激光产生调制导致出射激光的不均匀,进而可能引起光路下游光学元件发生更多的级联性损伤,从而致使高功率强激光装置性能急剧下降。在传统研究激光诱导光学元件温度场的基础上,本文建立了激光诱导熔石英光学元件损伤的有限元模型,研究了熔石英光学元件损伤点附近的损伤形貌,激光诱导损伤后光学元件内部的应力变化,以及毫秒脉冲激光作用下有无气泡的熔石英光学元件损伤机制,通过对比有无气泡两种情况下的初始损伤形貌、温度场和应力场分布,分析了内部气泡缺陷对激光损伤的影响以及其损伤特性。具体研究内容如下:(1)基于热力学理论,建立了毫秒脉冲激光与熔石英相互作用的有限元数值模型,研究了脉冲停止时熔石英的表面初始损伤形貌、内部温度分布以及材料冷却后光学元件内部的三维应力分布,所得结果与实验测量的三维应力一致,验证了该模型的可行性和准确性。分析了毫秒激光辐照下熔石英玻璃表面损伤,特别是内部残余应力的形成机理。得到了样品内部不同深度下的径向和环向应力分布,分析了不同脉冲激光能量对样品内部应力场的影响,结果表明,损伤凹坑附近的径向压应力(负值)沿深度方向会逐渐转化为拉应力(正值),而沿半径方向的环向应力则由压应力逐渐转化为拉应力,此外,随着脉冲激光能量的不断增大,径向和环向应力大小及其影响范围均有明显增加。(2)鉴于实际制备过程中熔石英内部容易出现气泡缺陷的情况,通过在已有模型内部设置空气区域,本文建立了含有气泡缺陷的熔石英模型,分析了有无气泡以及不同气泡位置对损伤形貌、温度场以及应力场的影响。结果表明,在有气泡的情况下熔石英表面的初始损伤深度增加,且在气泡周围出现拉应力极值,在内部气泡的影响下,熔石英玻璃抗激光损伤能力降低,样品表面会更快出现损伤点;提高入射激光能量后,样品内部气泡周围的拉应力进一步增大,导致熔石英玻璃在更高能量的脉冲激光辐照下,其内部更容易发生损伤。此外,随着气泡所在位置不断下移,其对样品内部应力,特别是对气泡周围应力的影响逐渐减弱。本文的研究结果不仅有助于加深对毫秒脉冲激光作用下,有无气泡的熔石英光学元件损伤过程以及损伤机理的理解,分析内部气泡缺陷对熔石英抗激光损伤能力的影响,而且也为改善熔石英光学元件的制备加工工艺及后续的损伤修复工作提供理论参考。
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