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长脉冲激光对一维光子晶体薄膜损伤机理的数值模拟

嵇保建  
【摘要】:激光是一种亮度极高的强光源,目前在工业、医学和军事等方面得到广泛地应用。但是激光高强度的特性也会影响到激光器中元件和材料的安全,特别是其中的薄膜承受激光能力比较弱,因而加强激光对薄膜的破坏机理研究对激光技术及其应用具有重要意义。 本文建立了长脉冲激光对一维光子晶体薄膜的热作用模型,利用有限元法数值模拟了长脉冲激光对该一维光子晶体薄膜的作用过程,计算了这种晶体膜在激光辐照过程中的瞬态温度场和应力场,并由应力场分析了激光对这种晶体薄膜的损伤机理。根据一维光子晶体的结构特征和作用激光波长等参数设计了一种由Si和SiO2交替组成的9层γ/4膜系的高反膜,根据薄膜的温度场和驻波场理论计算得到了膜层间的归一化场强,考虑到各膜层的场强函数不同和体生成热的加载方式,利用分段拟合各个膜层中的光强函数的方法对模型进行激光加载,得到长脉冲激光与一维光子晶体模型作用的瞬态温度场和应力场。结果表明:由于交替膜层的热导率不同,温度呈现一种阶梯式的下降,而这种温度梯度的周期变化引起了膜层上下应力的周期震荡,即上下膜层分别呈现出压应力和拉应力交替变化的现象,所以薄膜易在这种相互“拉扯”的作用力下出现剥落等破坏性结果。 本论文的研究结果可以为激光对一维光子晶体薄膜的损伤机理研究提供参考,同时也可以对光电系统和层状薄膜材料的激光防护提供理论依据。


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