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文檔簡介
1、強(qiáng)激光誘導(dǎo)光學(xué)元件的損傷是制約包括ICF激光驅(qū)動器在內(nèi)的強(qiáng)激光系統(tǒng)向更高更強(qiáng)發(fā)展的最大瓶頸,受經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)發(fā)展的驅(qū)使,這也將是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)。損傷形貌是損傷機(jī)制的外在體現(xiàn),激光輻照過程中等離子體和沖擊波的產(chǎn)生與發(fā)展是損傷及損傷增長的主要原因,研究強(qiáng)激光誘導(dǎo)光學(xué)元件損傷的形貌,研究損傷過程的超快動力學(xué)特征,分析強(qiáng)激光誘導(dǎo)光學(xué)元件損傷的規(guī)律,有助于我們理解激光誘導(dǎo)元件損傷的物理內(nèi)涵,掌握損傷的物理機(jī)制和物理規(guī)律,對改進(jìn)光學(xué)元件的加工工藝,
2、增加光學(xué)元件的使用壽命,降低高能激光系統(tǒng)的運(yùn)行成本和提高負(fù)載能力有現(xiàn)實(shí)意義。
本論文涉及對多個波長的納秒激光誘導(dǎo)光學(xué)元件損傷的實(shí)驗(yàn)研究。主要思路是從實(shí)驗(yàn)定性研究1064nm、532nm和355nm三波長的納秒激光誘導(dǎo)光學(xué)元件的初始損傷及損傷增長出發(fā),結(jié)合超快時間分辨陰影成像技術(shù),獲取了熔石英光學(xué)元件前后表面和體內(nèi)的等離子體、沖擊波的產(chǎn)生與發(fā)展過程的時間分辨圖像,分析了納秒激光誘導(dǎo)光學(xué)元件損傷的規(guī)律和機(jī)制。
本論文簡述
3、了高功率激光與物質(zhì)相互作用理論,綜述了強(qiáng)激光誘導(dǎo)光學(xué)元件損傷的物理機(jī)制,實(shí)驗(yàn)分析了初始和損傷增長的規(guī)律和特點(diǎn),據(jù)此分析了提高光學(xué)元件抗激光損傷能力的方法和途徑。納秒激光作用下,光學(xué)元件使用和加工過程中殘留于表面和亞表面的各種缺陷是導(dǎo)致強(qiáng)激光輻照下元件損傷的直接原因。強(qiáng)激光誘導(dǎo)光學(xué)元件損傷是一個涉及光熱、光化學(xué)、光聲、光電、等離子體和沖擊波、激光參數(shù)和材料性質(zhì)等眾多物理效應(yīng)和參數(shù)的復(fù)雜過程,主要的損傷機(jī)制有:劃痕、裂紋、雜質(zhì)等缺陷吸收引起
4、的熱力學(xué)損傷,裂紋對激光場的調(diào)制導(dǎo)致局部場強(qiáng)增強(qiáng)引起的光學(xué)擊穿,受激布里淵散射激發(fā)超聲波引起的損傷,非線性自聚焦引起的損傷,任何一次損傷實(shí)際都是多種機(jī)制共同作用并相互促進(jìn)的結(jié)果,這些作用過程都發(fā)生在很短的時間內(nèi),這增加了我們研究和掌握損傷規(guī)律的難度。
實(shí)驗(yàn)研究了1064nm、532nm和355nm三個波長的激光分別對光學(xué)元件前、后表面和體內(nèi)的初始損傷和損傷增長,研究了三個波長兩兩同時輻照下光學(xué)元件的損傷行為,比較和分析了各波長
5、激光對光學(xué)元件的初始損傷和損傷增長規(guī)律和機(jī)制。研究結(jié)果表明:表面和亞表面缺陷是納秒激光輻照下光學(xué)元件損傷的最主要原因,等離子體和沖擊波在材料體內(nèi)和空氣中的產(chǎn)生與發(fā)展的不同導(dǎo)致了前后表面的損傷規(guī)律的巨大差異;對應(yīng)于不同的激光波長,裂紋和以及損傷坑內(nèi)材料對激光的吸收差異是損傷增長差異的主因,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可見光和紫外激光輻照下的熔石英玻璃的體內(nèi)成絲損傷也與點(diǎn)缺陷有關(guān)。對應(yīng)于不同的激光波長,吸收雜質(zhì)的種類和數(shù)密度差異巨大,恰當(dāng)?shù)募す廨椪疹A(yù)處理能
6、夠提高元件對后續(xù)激光輻照的的損傷閾值;但在紫外激光輻照下,多脈沖的損傷累積效應(yīng)明顯。在兩個波長的激光同時輻照下,雜質(zhì)和缺陷先被短波長激光電離,產(chǎn)生少量的自由電子,這些自由電子對后續(xù)激光無選擇的強(qiáng)吸收,極大的增強(qiáng)了總的吸收效率,降低了損傷閾值,增大了損傷程度。
采用超快時間分辨陰影成像技術(shù),本文研究了納秒激光輻照損傷熔石英光學(xué)玻璃前、后表面和體內(nèi)的動力學(xué)過程,實(shí)驗(yàn)觀察了前后表面的空氣和材料中等離子體和沖擊波的差異,對比分析了前后
7、表面和體內(nèi)的損傷差異及損傷機(jī)制。在前表面,由雜質(zhì)吸收產(chǎn)生的初始等離子體位于空氣中,等離子體對激光能量的強(qiáng)吸收對后續(xù)激光形成屏蔽效應(yīng),使前表面空氣等離子體中積累了大量的能量,元件表面損傷以高溫等離子體的表面燒蝕為主,材料破壞不嚴(yán)重。在后表面,由于初始等離子體產(chǎn)生于元件表面的材料體內(nèi),等離子體的屏蔽效應(yīng)增加了激光能量在材料中的沉積,材料中等離子體聚集的能量通過爆炸釋放,爆炸產(chǎn)生的沖擊波和等離子體高溫?zé)g是后表面損傷的主要機(jī)制,同時伴隨著燒蝕
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