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激光诱导光学薄膜的应力场效应分析与仿真

2020-12-02阅读(630)

激光诱导光学薄膜的应力场效应分析与仿真

论文摘要

光学薄膜作为高能激光系统中最重要的组成部分,同时也是最容易发生损伤的部分,激光作用下光学薄膜产生损伤的两个主要原因是薄膜内发生了热破坏或热致应力破坏。激光作用下,薄膜与基底以及薄膜膜层之间会产生温度变化导致薄膜热熔融、气化等损伤破坏;温度差异还会导致薄膜热形变,由此产生的热应力引起薄膜断裂、脱落等损伤破坏。深入研究光学薄膜的激光诱导损伤过程,分析薄膜损伤的原因及机理,结合理论分析结果和模拟仿真规律来指导镀膜实验、优化镀膜工艺,制备具有高激光损伤阈值（laser-induced damage threshold,LIDT）的薄膜,延长光学薄膜元件的使用寿命,满足高能激光系统的需求,提高激光系统的性能,这些研究工作将具有十分重要的意义。本文从材料吸收激光能量的热吸收效应出发,结合激光作用下光学薄膜内的热致应力损伤机理,建立了激光作用下单层膜和多层膜的诱导破坏模型。求解热传导方程、热弹性力学方程和平衡微分方程,得到了较为准确的温度场和热致应力场解析式。为了验证模型的正确性,用Matlab软件对单层膜和双层膜的温度场及热致应力场进行分析计算和模拟仿真,对结果和规律进行总结,得到以下结论:1)激光诱导作用下多层膜内温度场分布和热致应力场分布与单层膜薄膜内温度场分布和热致应力场分布基本类似:均随半径增大和厚度增加而逐渐减小。2)多层膜内温度和热致应力在膜层交界面处有跃变,例如对于MgF2/ZnS双层膜,激光输出能量为50mJ时,交界面温度分别为650℃和1335℃;径向热应力值分别为-509MPa和-444MPa,环向热应力值也分别为-509MPa和-444MPa,轴向热应力值分别为-1114MPa和-972MPa。MgF2薄膜压缩强度约为300MPa,ZnS单层膜的断裂强度100MPa左右,此时双层膜可能发生热致应力损伤。3)对于不同的薄膜材料,其损伤过程及类型不同:类金刚石（Diamond Like Carbon,DLC）薄膜内最高温度为696℃,远小于其熔点;但径向热应力3132MPa和轴向热应力6917MPa超过断裂强度200-400MPa。可知,薄膜可能发生热致应力损伤。4)单层膜容易发生损伤的位置位于薄膜表面和激光光束中心附近,对于多层膜,除了上述两个位置,膜层分界面处的温度跃变和热致应力跃变也是造成薄膜损伤的主要原因之一。5)镀膜时应尽量选用吸收系数小、热扩散系数大,热膨胀系数小且多层膜材料热膨胀系数相差不大的薄膜材料,以及加镀保护膜层以减少薄膜表面及光束中心的能量吸收,从而提高薄膜的LIDT。以上结论对制备高LIDT光学薄膜提供了理论依据。为丰富模型的适用性,编写程序设计了激光诱导模型仿真计算程序界面,实现了激光参数、薄膜材料和仿真结果的输入和选择,可通过相关参数的修改来实现更丰富的模型计算仿真,获得更多、更准确的规律来指导镀膜实验和提升光学薄膜器件的性能。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 课题研究背景
  •   1.2 课题目的及意义
  •   1.3 国内外研究现状
  •     1.3.1 光学薄膜应力研究
  •     1.3.2 光学薄膜热致应力损伤机理研究
  •     1.3.3 热应力和本征应力研究
  •   1.4 本文研究工作
  •     1.4.1 本文主要内容
  •     1.4.2 本文章节安排
  • 2 激光对光学薄膜的作用
  •   2.1 激光与薄膜相互作用理论
  •     2.1.1 光学薄膜的本征吸收
  •     2.1.2 光学薄膜的缺陷吸收
  •     2.1.3 光学薄膜的雪崩吸收
  •     2.1.4 光学薄膜的多光子吸收
  •   2.2 光学薄膜的激光诱导损伤机理
  •     2.2.1 光学薄膜的热致损伤
  •     2.2.2 光学薄膜的场致损伤
  •   2.3 光学薄膜损伤的影响因素
  •     2.3.1 激光束型参数
  •     2.3.2 薄膜结构参数
  •   2.4 本章小结
  • 3 光学薄膜激光诱导模型建立与求解
  •   3.1 热传导方程的建立
  •     3.1.1 热传导理论
  •     3.1.2 定解条件
  •   3.2 热弹性方程的建立
  •     3.2.1 线性弹性力学问题
  •     3.2.2 热弹性力学问题
  •   3.3 温度场模型建立与求解
  •     3.3.1 温度场模型建立
  •     3.3.2 温度场求解
  •   3.4 热致应力场模型建立与求解
  •     3.4.1 热致应力场模型建立
  •     3.4.2 热致应力场求解
  •   3.5 本章小结
  • 4 光学薄膜激光诱导模型仿真与分析
  •   4.1 激光作用形式
  •   4.2 温度场仿真
  •     4.2.1 不同激光参数下DLC薄膜温度分布
  •     4.2.2 不同薄膜材料的温度分布
  •     4.2.3 多层膜温度分布
  •   4.3 热致应力场仿真
  •     4.3.1 单层膜的应力分布
  •     4.3.2 多层膜的应力分布
  •   4.4 本章小结
  • 5 程序设计
  •   5.1 程序流程图
  •   5.2 功能实现
  •   5.3 本章小结
  • 6 结论与展望
  •   6.1 结论
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 曹乾坤

    导师: 苏俊宏

    关键词: 激光损伤阈值,高能激光,光学薄膜,温度场,热致应力场,仿真

    来源: 西安工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 西安工业大学

    基金: 国家自然科学基金(61378050)

    分类号: TN249

    DOI: 10.27391/d.cnki.gxagu.2019.000116

    总页数: 110

    文件大小: 17159K

    下载量: 157

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