脉冲串激光致k9玻璃损伤的热力学效应研究.docx

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脉冲串激光致k9玻璃损伤的热力学效应研究长春理工大学本科毕业论文编号本科生毕业论文脉冲串激光致K9玻璃损伤的热力学效应研究TheThermodynamicEffectofTrains-pulseLaser-inducedDamageofK9Glass学生姓名付星驰专业电子科学与技术学号100131102指导教师谭勇、蔡继兴学院理学院二〇一四年六月毕业设计（论文）原创承诺书1．本人承诺：

所呈交的毕业设计（论文）《脉冲串激光致K9玻璃损伤的热力学效应研究》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。

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作者签名：

年月日摘要本文用有限元方法建立了脉冲串激光辐照K9玻璃应力与温升问题的计算模型，使用该模型分析和计算了脉冲串激光辐照K9玻璃后的应力与温升变化规律。

COMSOLMultiphysic是计算机辅助工程领域应用最广泛的有限元分析软件,通过脉冲串激光损伤K9玻璃有限元模型的建立和网格划分、脉冲激光的加载、设置初始条件和边界条件等几个方面,分析了基于COMSOLMultiphysic仿真脉冲串激光损伤K9玻璃过程中的一些关键问题。

建立了脉冲串激光损伤K9玻璃的有限元模型,对K9玻璃受到脉冲串激光辐照时的温度和应力分布进行了数值分析。

本文的研究结果对增加激光对靶材的破坏能力，了解激光与物质相互作用的性质以及激光相关应用的发展有一定的促进作用。

关键词：

脉冲串激光数值模拟有限元方法K9玻璃IIIAbstractInthispaper,weestablishedthecalculationmodelofstressandtemperatureriseofK9glassundertrains-pulselaser,thenwecalculatedandanalyzedtheregulationofstressandtemperaturerisewhileweusedtrains-pulselaserheatingtheK9glassusingfiniteelementmethod.COMSOLMultiphysicisawidely-usedfiniteelementmodelanalysissoftwareincomputeaidedengineering.SomecriticalproblemsareanalyzedindamageofK9glassbytrains-pulselaserbasedonCOMSOLMultiphysicfromthefollowingaspectsbuildingandmeshingoffinite-elementmodel,loadingofpulsedlaser,settingofinitialconditionsandboundaryconditions.ThefiniteelementmodelwasestablishedandanumericalanalysiswasperformedtocalculatethetemperatureandstressdistributioninK9glassirradiatedbytrains-pulselaser．Theresearchresultsinthispaperwillfacilitatethestudyoflaserirradiatedonmedium.Theywillalsopromotethedevelopmentoflaserinducedplasmaapplications.Keywords:

trains-pulselaser;numericalsimulation;finiteelementmethod;K9glass目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1课题研究目的与意义11.2国内外研究进展11.2.1激光与物质相互作用的研究进展21.2.2激光与K9玻璃相互作用的研究进展31.3本文的研究内容4第2章激光与介质相互作用的基本理论及有限元模型52.1激光与K9玻璃的相互作用52.1.1K9玻璃对激光的吸收62.1.2K9玻璃的性质对激光热作用的影响62.1.3激光损伤光学介质的机理82.2脉冲串辐照K9玻璃的温升模型及有限元求解82.2.1传热学基本理论82.2.2激光辐照K9玻璃后的温升模型及其微分方程形式102.2.3求解温度场的有限元方法112.3本章小结14第3章软件模拟脉冲串激光辐照K9玻璃153.1COMSOLMultiphysics仿真软件简介153.2仿真模拟结果及数值分析15第4章总结23参考文献24致谢25长春理工大学本科毕业论文第1章绪论1.1课题研究目的与意义光学元件作为激光驱动器系统的“器官”，至关重要，有“一代光学元件，一代激光器”的说法。

对于大型和超大型激光驱动器系统，长期安全、稳定的运行至关重要，这也是各国进行大型激光驱动器系统研制，特别是ICF（制约激光约束核聚变）驱动器研制的科学家们所面临的技术和科学上的巨大挑战。

对于高功率激光器来说，虽然光学元件的发展和使用过程中遇到许多技术和科学上的挑战，但是最关键和最重要的挑战或许是如何尽可能的减少和消除强激光辐照所导致的元件损伤，这也是目前制约大型激光系统向更高更强发展的最大瓶颈，这也将是一个持续的挑战，因为当一种新的抗激光损伤材料和加工技术被开发和应用并提高光学元件的抗损伤能力后，受经济利益和技术追求的驱使，激光器的设计者们必会将激光系统的工作能力增加到这些新材料的极限。

当激光器输出的能量密度等级加大时，对于一个既定成本的激光器可以获得更高的能量输出，而光学元件的抗激光损伤能力越高，那么这些光学元件的寿命就越长。

并且光学原件也是导弹、卫星以及光学观测等系统中重要的原件，高能激光对光学元件的破坏能够使卫星、导弹以及航天飞机等致盲和失控。

因此，研究高能激光对光学原件的损伤，对研制和发展战略和战术防卫武器有非常重要的意义。

K9玻璃广泛用作光学仪器的窗口、棱镜以及反射镜、滤光片的基体。

K9玻璃的脉冲串激光损伤,是光学系统抗激光辐照中的典型问题。

人们对K9玻璃的激光损伤己经进行了很长时间的研究，通过实验，理论分析，数值模拟，已经得出了大量的数据和理论模型，获得了很多的结论，但有许多问题还有待研究:

如不同激光波长、脉宽、材料条件下的激光损伤特性等，开展脉冲串激光辐照K9玻璃增加损伤效果等新的研究方向，对激光生产和激光的军事应用有一定的借鉴意义。

1.2国内外研究进展激光技术在我国经过40多年的发展，取得了很多科技成果，大多数已用于生产实践，激光为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了技术难题，但仍存在的许多问题，例如，在激光加工光束质量方面提出了很高要求，在激光加工外围装置方面有待进一步提高。

激光波长是影响激光加工质量的重要因素之一，不同波长的激光对材料的损伤程度不同，目前在大型高峰值功率固体激光装置的建造和运行过程中，影响其最大负载能力的关键因素是光学元件的损伤阀值。

K9光学玻璃作为高功率激光器重要的光学元件，其性能的好坏直接关系到激光器功率输出的大小和光束质量。

另外K9玻璃广泛地应用于激光内雕，激光刻蚀等激光加工工艺中，K9玻璃的好坏关系到激光加工的质量以及光学元件的使用寿命。

因此研究单波长激光和双波长激光对K9玻璃的损伤很有必要。

1.2.1激光与物质相互作用的研究进展上世纪70年代末，国外的学者对光学材料激光损伤进行了测量和分析，讨论雪崩电离和多光子吸收的物理的过程，总结了光学玻璃的激光损伤机理大致归结为:

雪崩电离、多光子吸收、杂质诱导损伤等。

1965年，在频率低于电离强度的强电磁场中，L.VKeldysh根据固体能带理论，得到了原子和固体的电离几率的表达式。

在低频极限的情况下，这些表达式转化成隧道自由电离几率公式;在高频极限情况下，这些表达式描述了几个光子同时吸收的过程，电离几率大部分归因于激发态原子的中间转换[1]。

1980年，A.Vaidyanathan等人在强电场中激光诱导损伤宽禁带的非金属物质产生密度为108/cm3的导带电子，此过程可以用三种不同的模型计算:

1.雪崩电离模型;2.多光子电离模型;3.雪崩电离和多光子电离两种模型相结合[2]。

1994年，D.Du,X.Liu,GKorn等人.利用脉宽在150fs-7ns，波长为780nm的激光对石英晶体（SiO2）诱导损伤的实验，结果显示，在脉宽范围内雪崩电离起主要作用，当脉宽小于10ps时，损伤闭值不遵循Fth~τ的关系，测量的二氧化硅的电离系数达到3x108V/cm，在短脉冲范围内对电离作用进行了讨论[3]。

1996年，B.C.Stuart等人报告了测量电介质材料在波长为1053nm和526nm，脉冲宽度从140fs到1ns的损伤阀值。

损伤形态指当τ50ps普遍发生熔化，沸腾和破碎，当脉宽增加到长脉冲时损伤阀值逐渐减小，热烧蚀占主要机制，这一机制以碰撞电离和多光子电离，及等离子体形成为主。

理论模型建立在多光子电离和雪崩电离产生电子的基础上，理论计算与实验结果相一致[4]。

2000年，AdrianDragomir等人采用飞秒真空脉冲激光作用在三种熔融硅和一种石英样品产生非线性吸收，测量熔融硅双光子吸收TPA系数值取决于这类样品，其值是在1.5±0.1×10-11cm/W和2.3±0.2×10-11cm/W变化。

对于石英晶体可以得到很小的值，所得的双光子吸收TPA系数值比以前更准确[5]。

2002年，M.P等人用光谱仪和显微镜的方法研究激光辐照玻璃产生和形成Nd离子等离子光谱，得出在激光辐照作用下，随着Nd离子浓度的增长，硅酸盐玻璃的损伤面积扩大，损伤值减少，以及靶材离子光谱能量的变化；在多元素激光等离子体里与激光线性振荡、Nd离子的线性吸收、以及重组过程的生长紧密相联。

1.2.2激光与K9玻璃相互作用的研究进展目前国内对K9玻璃诱导损伤进行了大量的实验和理论研究，测量出大量的实验数据和总结出许多理论结果。

在实验方面，胡建平，张问辉等人通过实验研究K9玻璃的激光损伤特性，结果表明K9玻璃前后表面表现出不同的激光损伤，损伤闭值之比约为1:

4，前表面主要表现为烧伤，基本为灾难性损伤，后表面主要表现为破斑，随着激光脉冲数呈指数增长后表面的激光损伤尺度增大[6]；黄进，任寰等人，通过实验研究了三种不同波长的激光采用R:

1单独对石英材料诱导损伤的行为，结果显示基频光对石英材料的损伤破坏小于倍频光，且倍频光的损伤机理表现为多光子吸收引发的雪崩电离，表面缺陷及杂质导致的热破坏为基频光的损伤行为[7]。

韩敬华，冯国英等人通过实验详细研究了K9玻璃在纳秒激光脉冲作用下产生的损伤形貌特点，整个损伤形貌表现为前端比较大，后端逐渐变小，成纺锤形，损伤区可分为损伤点轴向的丝状的等离子体通道、熔化、裂纹、裂纹末端的折射率变化四个区域[8]。

周明，赵元安，等人采用532nm激光，1064nm激光，及532nm激光和1064nm的结合三种方式对薄膜进行辐照，建立了其损伤阀值测试装置，对比损伤形貌损伤阀值。

结果表明，双波长激光共同辐照下与532nm激光单独作用下的损伤形貌相似，诱发薄膜损伤532nm激光起主导作用，1064nm和532nm激光共同作用下薄膜的损伤闭值高于1064nm激光单独辐照时的损伤闭值，低于532nm激光单独辐照时的损伤阀值[9]。

姜雄伟利用激光玻璃在800nm，120fs，1KHz脉冲激光作用下的实验结果，对照射前后的玻璃进行ESR分析产生光致暗化的闭值，得出了光致暗化是由于玻璃内生成空穴捕获型色心的结果，认为产生的色心主要来源于玻璃的多光子吸收[10]。

夏晋军等人研究了多脉冲与单脉冲激光对ZF2玻璃的诱导损的方法[11]。

李明，张宏超等人根据自由电子密度速率方程，推导了雪崩电离模型，自由电子密度与雪崩电离的关系式，理论上计算了导致空气，水光学击穿的损伤阀值，纳秒激光脉冲对纯净水作用，初始电子由多光子电离提供，随后雪崩电离占主导作用，短脉冲对纯净水作用，多光子电离为主要作用，在击穿过程中不考虑其他因素对损伤阀值的影响[12]。

张平，钱颜等人通过对高功率空气击穿的讨论，推导了雪崩电离机制，由自由电子速率方程得出雪崩光功率击穿闭值，理论上解释了高功率空气击穿雪崩电离占主导地位[13]。

夏志林，邵建达等人计算了影响薄膜的抗激光损伤闭值参数有：

能带带隙、激光波长、初始电子密度、激光脉宽等，研究了多光子电离机制和雪崩电离机制在不同脉宽激光作用下损伤机制的竞争。

结果表明，在雪崩电离建立的过程中平均电子能量不变，初始电子的浓度受光电离速度的影响，进而影响两种电离之间的竞争，激光脉宽越大，雪崩电离产生的电子密度越大，多光子离化产生的电子越小[14]。

韩晓玉，杨小丽数值计算了激光击穿大气的损伤阀值，研究表明：

入射激光为ns量级，随着激光波长和气压的增大，大气的击穿阀值随之减小；气体中的初始电子对长波长入射激光的击穿闭值有明显减少作用，对短波长入射激光的击穿阀值没有影响;辐照时间越长，脉宽越宽，大气击穿的闭值越小[15]。

K9玻璃是激光内雕的主要原料，在激光内雕K9玻璃中，激光的能量密度必须大于使玻璃破坏的某一阀值，而激光在某处的峰值功率密度与激光脉宽以及焦点处光斑的大小有关，脉宽越窄，光斑越小的地方产生的峰值功率密度越大。

这样，通过适当聚焦，可以使激光的峰值功率密度在进入玻璃及到达加工区之一前低于玻璃的破坏阀值，而在希望加工的区域则超过这一临界值，激光在极短的时间内产生脉冲，其能量能够在瞬间使玻璃受热破裂，从而产生极小的白点，在玻璃内部雕出预定的形状，而玻璃的其余部分则保持原样完好无损，从而勾勒出预置形状的一种加工工艺，这种工艺加工出来的产品在市场上被称为水晶工艺品。

另外K9玻璃是一种性能优异的光学材料，K9玻璃常用作激光加工系统中的光学元件，它在紫外光、可见光，近红外波段具有很高的透过率，在激光加工系统中K9玻璃被应用于光学仪器的窗口、棱镜、反射镜以及滤光片的基体，在激光器的传输光路系统中起着非常重要的作用，它的抗损伤能力直接影响激光输出功率和激光器的性能好坏。

人们对K9玻璃的激光损伤已经进行了很长时间的研究，通过实验，理论分析，数值模拟，己经得出了大量的数据和理论模型，获得了很多的结论，但有许多问题还有待研究:

如多光子吸收电离和雪崩电离的定量研究，很难把它们分清楚，新的激光波长、脉宽、材料条件下的激光损伤及探讨光学材料真正的本征损伤等，开展激光与K9玻璃损伤方面新的研究方向，为激光生产和加工方面的快速发展提供了理论依据。

1.3本文的研究内容在认真查阅了国内外有关激光与物质相互作用、激光损伤K9玻璃机制的文献资料的基础上，结合当前的实验条件、研究热点以及自身特点确定了本文的研究内容，在研究中注重以简洁的物理概念和模型去研究脉冲串致K9玻璃损伤后的温度场与应力场分布和发展规律。

本文采取的研究路线如下：

1.根据传热学、固体力学与有限元法，建立脉冲串激光辐照K9玻璃的物理模型。

2.运用仿真软件ComsolMultiphysics模拟K9玻璃内部的温度场及应力场分布情况。

3.重点对K9玻璃经激光作用后产生的热力学效应进行研究，进而阐明其热及应力损伤机理。

4第2章激光与介质相互作用的基本理论及有限元模型激光与物质相互作用首先是从入射激光被物质反射和吸收开始的。

激光束入射于均匀、各向同性靶物质时，部分能量被周围气体（或微粒）和靶表面所散射或反射，进入靶物质的激光能量部分被吸收，其余部分则穿透靶物质而继续传播。

真空环境中入射激光束的总能量（功率）是反射（散射）、吸收和折射（透射）三部分之和，入射波电、磁场强度即为反射和折射（透射）光束电、磁场强度的向量和。

对于金属和电介质，我们可以用电动力学的理论计算它们对激光束的反射和吸收特性，但真实材料对激光的反射和吸收数据与其入射表面状况、温度、样品纯度、压力、应变及环境状况有关，主要依靠试验测量。

从微观机理来看，激光对物质的作用是高频电磁场对物质中自由电子或束缚电子的作用，物质对激光的吸收与其物质结构和电子能带结构有关。

金属中的自由电子在激光作用下发生高频振动，通过韧致辐射过程使部分振动能量转变为电磁波（即反射光）向外辐射，其余转化为电子的平均动能，再通过电子与晶格之间的弛豫过程转变为热能。

激光在金属中趋肤深度很小，对红外波段吸收层厚度也只有几十微米，因此金属对通常波段激光束的反射率都很大。

激光与电解质的相互作用涉及束缚电子的极化，单光子或多光子吸收引起的电子从价带到导带的跃迁（光致电离），以及多种机制的非线性光学效应。

许多电介质对激光吸收很弱，对于红外和可见光基本透明。

透明电介质表面或体内的杂质和缺陷往往强烈吸收激光，成为破坏的根源。

半导体对激光的吸收有多种机制，如光致电离、自由载流子吸收等等。

光致电离产生的电子一空穴对很快通过无辐射跃迁而复合，把吸收的光能转变为热能。

等离子体是特殊条件下存在的电离气体，激光在等离子体中传播时除了发生自由电子的逆韧致辐射吸收外，还存在一些非经典的反常吸收机制（如共振吸收），并出现激光与等离子体中静电波、离子声波的各种相互作用。

2.1激光与K9玻璃的相互作用激光与K9玻璃的相互作用过程非常复杂，它既包含复杂的微观过程，也包括复杂的宏观过程。

从微观机理来看，激光对K9玻璃的作用的实质是高频电磁波对K9玻璃中自由电子或束缚电子的作用，K9玻璃对激光的吸收和电子能带结构有关。

而激光对K9玻璃材料诱导损伤时发生的宏观物理现象主要包含激光的反射、折射、吸收、干涉、衍射、偏振、气体击穿、光电效应等。

当高峰值功率密度的激光辐照K9玻璃时，K9玻璃表面的杂质以及玻璃本身均对激光产生强烈的吸收，导致K9玻璃表面和内部发生各种变化，主要有温升、融化、气化以及等离子体喷溅等现象。

具体发生哪种现象，不仅与激光参数密切相关，还与K9玻璃本身的特性以及所处的环境等密切相关。

在通常情况下，K9玻璃在不同峰值功率密度激光辐照下，其发生的物理机制如表2-1所示。

表2-1不同功率密度的激光束作用下K9玻璃的物理机制103~104W/cm2104~106W/cm2106~108W/cm2108~1010W/cm2加热熔化气化等离子体2.1.1K9玻璃对激光的吸收激光辐照K9玻璃表面，一部分激光被K9玻璃表面反射，一部分被K9玻璃吸收，一部分通过K9玻璃被透射，其余部分被散射。

在不考虑玻璃对激光散射的条件下，根据能量守恒定律，有E0=E反射+E吸收+E透过（2-1）其中，E0为入射的激光能量；E反射为K9玻璃表面反射的激光能量；E吸收为K9玻璃吸收的激光能量；E透过为透过K9玻璃的激光能量。

式（2-1）可以修改为：

I=E反射E0+E吸收E0+E透过E0=R+α+T（2-2）其中，R是反射率，α是吸收率，T是透过率。

激光在K9玻璃内部传播过程中，K9玻璃吸收一部分激光能量，吸收的激光能量与激光强度及介质的厚度成正比，随着激光入射深度的加深，激光的强度将减小，振幅也减小，吸收的能量转化为其他能量，基本关系式为：

I=I0e-αL（2-3）I0是入射激光强度，I是激光入射深度为L时的激光强度。

式（2-3）也被称为朗伯定律，可见随激光入射到材料内部深度的增加，激光强度将以几何级数减弱，吸收系数。

除了取决于由介质本身的特性外，有时还与激光波长有关。

吸收系数与激光波长有关的特性称为选择吸收；而吸收系数与波长无关的特性称为一般吸收。

在一般情况下，吸收系数与激光强度无关，但有时会出现反常现象，即自变透明现象，就是说随着入射激光强度的增加，吸收系数变小，透射性增强。

2.1.2K9玻璃的性质对激光热作用的影响玻璃本身的物理性质（如温度，形变，熔融，气化）等发生改变时，激光损伤闭值也发生了明显的改变，然而它们之间没有准确的定量关系，但是一些实验数据和实验方法为后面的研究奠定一定的基础。

1.K9玻璃的热和机械性质：

分析K9玻璃本身的物理性质对击穿阀值的影响十分必要，其热应力所引起的影响可用K9玻璃的抗热冲击阻抗RH来描述，其表达式如下[16]：

RH=S1-vkαE（2-4）式中k是K9玻璃的热导率，S为K9玻璃的机械强度，α为K9玻璃的热膨胀系数、E为K9玻璃的弹性模量和v为泊松比。

K9玻璃的激光击穿阀值随着RH的增大而增大，RH越大，K9玻璃的抗激光破坏的性能越好。

一般情况下，影响K9玻璃热稳定性的因素有：

抗拉强度、热导率、弹性模量、K9玻璃的密度、热膨胀系数、热容，其中热膨胀系数对热稳定性的影响是所有因素最大的，随着热膨胀系数的增大，K9玻璃热稳定性反而减小。

K9玻璃的热稳定性好，其激光击穿阀值就高。

另外，K9玻璃的密度、熔点等物理性质对激光击穿阀值也有一定的影响，随着密度的增加，熔点的提高，激光击穿阀值也随之升高。

2.K9玻璃吸收系数的变化：

K9玻璃在强激光诱导击穿过程中，各种物理变化直接影响着K9玻璃对激光能量的吸收。

其K9玻璃对激光的吸收系数与激光对K9玻璃击穿闭值成反比例关系，随着激光吸收系数变小，击穿阀值反而增加，相反的情况也成立。

3.K9玻璃的纯度和光学质量：

K9玻璃广泛地应用于激光器件和光学系统的元件中，另外，在激光技术加工方面，K9玻璃也是激光内雕，激光刻蚀中的主要原料，因此K9玻璃在制备的过程中从原料开始就对纯度提出了很高的要求。

即使这样，杂质和缺陷也是不可避免的，这在较大程度上影响了光学元件的击穿，使阀值降低，也可能会发生内部损伤，导致炸裂，导致整个光学系统无法应用，杂质和缺陷的密度越大，光学元件的击穿越小。

另外，K9玻璃的光学质量也影响着损伤阀值，光学质量的好坏受散射颗粒，细裂纹及剩余应力等因素影响，光学质量好受这几种因素影响就小，击穿阀值高。

4.K9玻璃的非线性折射率系数K9玻璃的非线性折射率系数包括：

热致伸缩系数、电致伸缩系数和非线性极化系数。

非线性折射率在不同类型的激光对K9玻璃的诱导损伤过程中所起的作用不同，主要表现为以下三种形式：

首先连续激光和长脉冲激光对K9玻