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《中国工程物理研究院》 2010年 硕士论文
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短脉冲激光对材料的作用及破坏机理研究

李东海  
【摘要】: 本文用理论分析和数值模拟方法,对短脉冲激光对光学材料的作用及破坏过程,重频脉冲激光对光学膜系的破坏特性以及短脉冲激光加热材料时的强瞬态热传导效应进行了探讨,重点放在理论模型的比较选择、完整计算模型的建立及对计算结果的定量规律分析。 对于电介质材料,基于Fokker-Planck方程描述导带电子的增长过程,计算了不同脉宽,不同波长的激光对SiO2材料的破坏阈值,得到了与实验相符的结果。尽管激光波长通过三种途径对材料破坏阈值的确定产生影响,但三者共同作用导致不同波长激光对材料的破坏阈值随脉宽变化曲线很接近,材料破坏阈值一般随脉宽减小而减小。讨论了在破坏过程中碰撞电离与光致电离对破坏阈值所产生的影响。当激光脉宽大于1ps时,碰撞电离对材料的破坏起主要作用。当激光脉宽小于1ps时,光致电离对破坏阈值的影响越来越明显,但是碰撞电离仍然重要。 将激光传输方程与电子动力学方程联立,得到不同波长和脉宽的激光辐照下材料内部各处的电子数密度以及激光电场强度随时间的变化。根据这些结果,讨论了不同能量密度的脉冲激光辐照SiO2材料时反射、透射及能量沉积情况,随着激光能量密度的增大,反射和沉积的能量都将增加,而透射的能量将减少。在特定脉宽下,材料的破坏深度随着激光能量密度的增加达到最大值,之后缓慢下降。激光脉宽越大则破坏深度的最大值越大。 对于光学膜系,在驻波场理论基础上,用表面和界面强吸收模型,计算了重频脉冲激光辐照下高反膜中温度场分布变化。通过与单脉冲激光辐照情形的对比,发现在一定条件下重频脉冲激光对膜系热效应可以等效的简化为总能量密度相同,加热时间也相同的单脉冲激光的情况。对于相同能量密度的单脉冲激光,由于热量扩散作用影响,脉冲时间越长,达到的最终温升就越低。在不同波长激光作用下膜系的温升效应及破坏阈值有很大差别。 为了分析短脉冲激光辐照下材料中强瞬态热传导效应,分别基于经典傅立叶热传导理论和非傅立叶热波理论计算了脉宽为5ns、5ps两种脉冲激光作用下铝和不锈钢(金属材料热扰动传播行为更明显)靶材中温度场的分布及变化。发现当激光脉宽远大于材料弛豫时间时,经典傅立叶热传导和非傅立叶热波两种理论所得的结果基本一致,热波效应可以忽略;当激光脉宽接近或小于材料弛豫时间时,非傅立叶理论计算结果与傅立叶热传导的结果分离,显示出明显的热波效应。


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