超短脉冲激光系统中镀金光栅的损伤机理研究

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飞秒激光烧蚀镀金光栅(ACG)表现为热熔融、热应力等损伤,由于烧蚀机制涉及到光场调制、热效应、场效应、薄膜损伤等,至今仍旧是该领域的研究重点。本文基于优化的双温模型,研究了飞秒激光辐照镀金光栅的动态过程,分析了镀金光栅的损伤机理,对进一步提高其损伤阈值(LIDT)并提升短脉冲高功率激光系统的性能具有一定的理论参考价值。具体的内容和结论如下:(1)定义与光场调制相关的吸收率,采用动态热物性参数和力学参数,引入光栅槽型相关的深度,并将Fower-Du Bridge(FD)电子发射理论作为边界条件,对经典的双温模型(TTM)进行优化,采用实验中的光栅元件和激光参数,计算了金膜上下表面的温度及应力分布和演化。结果显示,金膜上表面热熔融损伤阈值为0.54 J/cm~2,与实验结果较吻合。而不考虑电子发射带来的能量损失时,热熔融损伤阈值将被低估31.5%。在辐照过程中,金膜下表面应力最大可达到0.3GPa,接近金膜的粘附强度,残余应力最大值位于山脊顶部。对于粘附强度较小的镀金光栅(约0.321 GPa),初始损伤表现为气泡剥落等热应力机械损伤,与实验结果一致。此外,电子发射对于金膜下表面应力基本没有影响。(2)定义与槽型结构相关的吸收率调节系数,研究镀金光栅参数(金膜厚度、沟槽深度、占空比)对于温度场和应力场的影响。结果显示,金膜厚度对于热熔融损伤阈值基本没有影响。在一定范围内,金膜下表面热应力随金膜厚度的增加而增加,当薄膜增加到一定厚度时,应力基本恒定,说明在相同粘附强度下,厚度越大的镀金光栅更容易造成气泡剥落等力学损伤;沟槽深度对于温度和应力分布影响显著,随深度的增加,热熔融损伤阈值降低,下表面应力减小,说明在相同粘附强度下,沟槽深度越大的更容易造成热熔融初始损伤,越小的更容易造成热机械应力初始损伤;占空比对于热熔融损伤阈值影响很大,对于应力影响很小。(3)固定光栅元件参数,研究多脉冲激光(脉冲个数、间隔时间)对温度场和应力场的影响。结果显示,脉冲个数对电子和晶格温度造成了热量的累积现象,增加脉冲个数,热熔融损伤阈值减小,而应力基本不变;随着间隔时间的增加,对于晶格温度的累积效应减弱,间隔时间对于下表面应力基本没有影响。多脉冲激光束增大了初始损伤为热熔融损伤的可能性。
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