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强激光对材料热损伤的有限元法研究

作　者: 刘全喜
导　师: 齐文宗
学　校: 四川大学
专　业: 光学
关键词: 激光热损伤数值分析有限元分析傅立叶热传导理论热弹性理论光学材料半导体光电探测器
分类号: TN24
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

通常，强激光分为高能量激光和高功率激光两种，高能量激光一般指连续激光和长脉冲激光，高功率激光指短脉冲激光和超短脉冲激光。强激光在工业和军事等方面有着非常重要的应用，但其中不可避免的要涉及到各类材料的激光损伤问题。应用于惯性约束核聚变等高功率激光系统中的光学元件，在高功率激光的强场效应作用下，在短时间内可遭到不同程度的损伤和破坏，轻者导致光束质量的降低而阻碍系统性能的正常发挥，重者导致激光系统无法进行工作。长期以来，激光对光学元件的破坏一直是限制激光向高功率、高能量发展的“颈瓶”；而应用于激光武器和激光加工中的高能量激光，可导致材料温度的升高，产生形变和应力，引起材料的热损伤破坏。因此，研究材料激光损伤的物理规律，不断提高其抗激光损伤能力，具有非常重要的应用意义。研究激光对物质的损伤主要有实验方法、理论分析方法和数值计算方法，其中的数值计算方法又可以分为有限差分法和有限元法等。有限差分法具有简单高效和易于编程计算的特点；而有限元法则具有非常好的灵活性和非常强的处理复杂问题的能力。本论文中，我们主要运用有限元法，基于傅立叶热传导理论和经典的热弹性理论，建立了激光辐照材料的三维数值计算模型，计算了材料瞬态温度场和热应力场的分布，进而研究了材料的热熔融损伤和热应力损伤。本文的主要工作和结论如下：1．回顾了国内外强激光对材料损伤的研究进展，从理论上论述了物质对激光的反射、吸收和转化的基本机制，简要描述了材料的激光损伤状态和损伤类型，介绍了几种不同的激光损伤机理，分析了影响材料损伤的各种因素。2．运用有限元法对傅立叶热传导理论和经典热弹性理论进行了描述，建立了激光辐照材料的三维有限元数值计算模型。利用此模型，分别以K9玻璃、InSb和InSb光伏探测器为例，计算了激光辐照光学材料、半导体和光电探测器引起的温度场和热应力场分布，得出了材料的热熔融损伤阈值和热应力损伤阈值，分析了材料的激光损伤类型，并讨论了激光参数和材料性质对损伤阈值的影响。所得的结论与相关的实验结果吻合得较好。本文中的有限元数值计算模型不仅可为激光对抗和激光加固提供理论参考，也可为激光加工效率和效果提供理论指导。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-10
第一章绪论  10-16
  1.1 课题研究的背景和意义  10-11
  1.2 国内外在相关领域的研究进展  11-13
  1.3 本论文研究的主要内容及其主要结果  13-14
  参考文献  14-16
第二章激光辐照材料的温升和热应力的有限元法分析  16-32
  2.1 有限元方法和有限元软件MSC.MARC简介  16-20
    2.1.1 有限元方法介绍  16-18
    2.1.2 有限元软件MSC.Marc简介  18-20
  2.2 物质对材料的反射和吸收  20-25
    2.2.1 金属和电介质对激光反射与吸收的经典电磁理论  20-22
    2.2.2 物质光学特性的微观解释  22-23
    2.2.3 温度和表面状况对光学特性的影响  23-24
    2.2.4 激光能量的吸收和转化  24-25
  2.3 温度场的有限元法分析  25-28
    2.3.1 热传导方程  25-27
    2.3.2 热传导问题的有限元法描述  27-28
  2.4 热应力场的有限元法分析  28-30
    2.4.1 热弹性生方程  29
    2.4.2 热应力问题的有限元法描述  29-30
  2.5 本章小结  30-31
  参考文献  31-32
第三章激光对光学材料热损伤的有限元法分析  32-47
  3.1 影响激光对光学材料损伤的因素  32-37
    3.1.1 光学元件激光损伤的定义和作用方式  32-33
    3.1.2 激光参数对光学元件损伤的影响  33-36
    3.1.3 光学材料物理参数对激光损伤的影响  36-37
  3.2 光学材料激光损伤的机理  37-39
    3.2.1 激光吸收引起的热力损伤  37
    3.2.2 雪崩离化机制  37-38
    3.2.3 多光子电离机制  38
    3.2.4 自聚焦效应  38
    3.2.5 杂质缺陷、超声波和非线性吸收  38-39
  3.3 激光对K9玻璃热效应损伤的有限单元分析  39-44
    3.3.1 温升分析  41-42
    3.3.2 热应力分析  42-43
    3.3.3 热损伤阈值和类型分析  43-44
  3.4 本章小绪  44-45
  参考文献  45-47
第四章激光对半导体材料热损伤的有限元法分析  47-64
  4.1 半导体材料对激光的吸收及相互作用  47-52
    4.1.1 半导体材料对激光的吸收  47-51
    4.1.2 半导体中相干受激光散射过程  51-52
  4.2 重频率激光对半导体材料热效应损伤的有限元分析  52-61
    4.2.1 温升分析  53-57
    4.2.2 热应力分析  57-58
    4.2.3 热损伤阈值和类型分析  58-61
  4.3 本章小结  61-63
  参考文献  63-64
第五章激光对光电探测器热损伤的有限元法分析  64-82
  5.1 光电探测器的基本类型和工作原理  64-70
    5.1.1 半导体的光电效应  64-67
    5.1.2 光电探测器的分类和基本工作原理  67-69
    5.1.3 光电探测器内能量的转换  69-70
  5.2 激光对光电探测器热效应损伤的有限元分析  70-78
    5.2.1 温升及热恢复时间分析  70-74
    5.2.2 热应力分析  74-75
    5.2.3 热损伤阈值和类型分析  75-78
  5.3 激光对光电探测器的光学效应损伤  78-79
    5.3.1 光电探测器的记忆效应  78
    5.3.2 光电探测器的光学饱和效应  78
    5.3.3 光学混沌  78-79
  5.4 本章小结  79-80
  参考文献  80-82
第六章全文总结  82-83
附录Ⅰ 硕士阶段发表的主要论文  83-85
致谢  85

强激光对材料热损伤的有限元法研究

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