發(fā)布時間：2020-11-19 21:32

　　 為了緩解人類所面臨的化石燃料緊缺與環(huán)境污染嚴重的難題,世界各國正紛紛開展激光驅(qū)動慣性約束核聚變裝置的研制工作,以求獲得可控的清潔聚變能源。磷酸二氫鉀(Potassium Dihydrogen Phosphate,KDP)晶體材料因具備獨特的光學性能而被用來制作光電開關(guān)和倍頻元件,成為當前激光核聚變工程中不可替代的核心光學元件。KDP晶體材料質(zhì)軟而脆、易開裂、易潮解、對溫度變化敏感,是國際上公認的難加工材料之一。然而,超精密加工制備的晶體元件在強激光打靶過程中極易發(fā)生激光誘導損傷。針對晶體元件的激光損傷問題,盡管國際上提出了激光輻照預處理、精密微機械修復等新技術(shù)對之進行處理,大口徑晶體元件的實際激光誘導損傷閾值仍遠小于其理論計算值。當前KDP晶體的低激光損傷閾值問題仍是激光核聚變裝置輸出能量提升的瓶頸難題。本論文以KDP功能晶體超精密加工、激光預輻照、精密微機械修復過程中引入的微凹坑、劃痕、微裂紋等微缺陷為研究對象,采用數(shù)值分析與激光損傷實驗相結(jié)合的方法,深入開展晶體表面微缺陷及其修復對抗激光損傷能力的影響研究。鑒于強激光輻照光學材料初期發(fā)生的非線性電離過程是其激光誘導損傷發(fā)起的內(nèi)在物理機制,本文首先基于Keldysh光致電離和電子衰減模型,分別結(jié)合當前國際上主流的碰撞電離模型,計算了KDP晶體非線性激發(fā)時自由電子密度演變過程。通過與已發(fā)表的晶體激光損傷實驗結(jié)果對比,優(yōu)選碰撞電離模型,由此建立了KDP晶體材料激光誘導損傷閾值預測的理論模型�；�于時域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)建立了微缺陷對入射激光傳輸性能影響的仿真模型,并驗證了其可行性。為了理論研究KDP晶體表面微缺陷對其抗激光損傷能力的影響規(guī)律,以晶體元件加工制備后表面形貌特征的檢測結(jié)果為依據(jù),分別建立了微凹坑、微裂紋和劃痕三類微缺陷的FDTD仿真模型,系統(tǒng)分析了微缺陷形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)、空間位置對入射激光傳輸性能的影響規(guī)律和作用機制。仿真結(jié)果表明:不同類型微缺陷通過對入射激光的調(diào)制會引起晶體內(nèi)部不同程度的光強增強,尺寸范圍在激光波長附近的微凹坑缺陷誘導的光強增強較強,錐形微裂紋通過“凸鏡”聚焦與雙內(nèi)全反射可使光強增強因子(Light Intensity Enhancement Factor,LIEF)最高可達500倍。因強激光輻照下KDP電介質(zhì)材料非線性激發(fā)的光致電離率、碰撞電離率及電子衰減率均與激光光強有關(guān),本文提出以晶體表面微缺陷誘導的光強增強為橋梁,通過建立帶微缺陷晶體表面的激光誘導損傷閾值預測模型,定量解析了晶體表面微缺陷與其激光誘導損傷閾值間的映射關(guān)系。為了實驗研究KDP晶體表面微缺陷誘導的激光損傷及損傷增長特性,采用不同方案檢測了晶體元件單發(fā)次激光誘導損傷閾值,實驗結(jié)果與所建立的光傷閾值模型預測結(jié)果吻合,證實了理論模型的適用性�；�于微壓痕與微銑削方法在晶體表面引入了塑性、脆塑混合及脆性微缺陷,對之進行激光損傷實驗后發(fā)現(xiàn):塑性缺陷對晶體抗激光損傷損傷能力的影響較小,而帶微裂紋的脆性缺陷可將晶體的光傷閾值降低至無缺陷表面的28.9%,損傷點形貌與位置也進一步確認脆性破裂點是降低微缺陷表面抗激光損傷能力的主要因素。探究了KDP晶體在多脈沖激光輻照下的損傷增長行為及內(nèi)在物理機制,通過檢測多脈沖激光下的損傷點形貌與損傷增長行為,并與理論分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),微裂紋誘導的光強增強與多脈沖激光輻照下的能量累積效應是長、短脈沖激光誘導損傷增長的內(nèi)在物理機制。為了抑制KDP晶體表面微缺陷/初始損傷點在后續(xù)激光打靶中的急劇增長行為,提升晶體的抗激光損傷能力與使用壽命,本文提出采用球頭微銑刀對微缺陷/初始損傷點進行修復去除,通過對比修復前、后微缺陷表面對激光傳輸性能的影響規(guī)律,揭示了微修復對抗激光損傷能力提升的修復機理。修復后晶體表面誘導的光強增強具有很強的寬深比效應,晶體微修復輪廓的寬深比必須設(shè)計為大于5.0,才能有效避免雙內(nèi)全反射的發(fā)生,緩解晶體內(nèi)部的局部光強增強。采用微銑刀加工出了球型與高斯型修復輪廓表面,修復后表面粗糙度Ra均小于50nm�？辜す鈸p傷能力驗證實驗表明:微修復后晶體表面的光傷閾值可提升至初始損傷表面的3倍,且微修復輪廓在高能激光輻照下表現(xiàn)出很強的穩(wěn)定性。綜合分析了晶體修復表面引入的微刀痕對修復效果的影響規(guī)律。微修復表面引入的刀痕缺陷,尤其是多個刀痕缺陷同時存在時,對修復后表面的抗激光損傷能力有很嚴重的影響。前、后表面刀痕誘導的LIEF分別可達無刀痕修復表面的5.9和2.1倍。帶刀痕修復表面的激光損傷閾值僅為無刀痕修復表面的83.6%,損傷閾值及損傷點形貌檢測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TL632.1
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論檢測成像手段，采用 10 30μm 的小光斑測量了熔石英元件在不同能量下的損傷發(fā)起點密度，系統(tǒng)分析后建立了大、小光斑輻照下激光能量參數(shù)與損傷概率的映射關(guān)系。由于晶體材料本身具有各向異性，有關(guān)激光損傷特性與晶體取向的研究也被報道用于解釋激光輻照下晶體元件表面產(chǎn)生復雜損傷形貌的原因[66]。

各電磁場量在時間上的推進演示過程，并可在計算機上用偽彩色圖來，圖 2-8 為 FDTD 模擬電磁波在均勻介質(zhì)中傳播時空間電場分量 Hx隨時間的變化規(guī)律。這種可視化的顯示方法能很清楚地模擬電程，能給分析和設(shè)計者帶來便利[133]。只要計算機硬件滿足要求，F(xiàn)D算不會受模擬目標尺寸的影響。因此，F(xiàn)DTD 算法廣泛應用于分析元件中的傳播和散射問題。

面處的光波有很好的吸收效果。圖 2-13 b)是 m 截面線處的瞬時電場強度分布與時諧電磁由對比結(jié)果可知，在晶體內(nèi)部，F(xiàn)DTD 數(shù)值值均與理論解析解很吻合，從而進一步驗證DP 晶體內(nèi)部光強分布的正確性。需要說明的電場強度幅值較弱的原因是該區(qū)域為入射波波長激光環(huán)境中的反射率很�。欢�在-2 m<由該區(qū)域入射波與反射波發(fā)生干涉而形成駐的位置所在）。

本文編號：2890469