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熔石英亚表面缺陷诱导激光损伤的FDTD研究

作　者: 花金荣
导　师: 祖小涛
学　校: 电子科技大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 熔石英亚表面缺陷激光损伤阈值时域有限差分光场调制光强增强因子
分类号: O441.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着强激光用于约束聚变理念的提出,各大型激光器的研制如火如荼地展开,然而光学元件负载能力,大大限制了激光器输出的能量,而亚表面的缺陷又是导致光学元件负载能力下降的根本原因之一。针对亚表面缺陷诱导激光损伤的问题,我们从理论分析的角度,着重从以下几个方面来展开。首先,研究激光损伤的机理,探讨引起损伤的因素。其次,由于计算量和计算复杂度大,对计算机硬件要求高等原因,该课题国内尚无人对熔石英亚表面缺陷附近的光场进行三维模拟,比较三维计算与二维计算的差别,探讨三维模拟的必要性。然后,建立三维缺陷模型,并编写三维的计算程序,都是重要的工作。最后的目标是,定量地分析出各类缺陷的安全尺寸,为实验上熔石英的安全尺寸判断提供一定的理论依据。基于以上一系列问题,我们就熔石英亚表面损伤问题,进行了系统而详尽的理论研究,主要工作和结果如下:1)参考了国内外有关亚表面损伤问题的成果,总结了影响激光损伤的几大因素,主要包括激光参数(主要有能量、波长、脉宽、脉冲数等)和亚表面缺陷形貌特征(主要有几何形状、尺寸、倾斜角等)两大方面。根据实验上的熔石英亚表面缺陷形貌,归纳出了几种典型的缺陷类型:横向划痕、径向划痕、赫兹锥形划痕(HCS)以及杂质颗粒。2)开展了三维时域有限差分方法(FDTD)的研究。三维情况比二维情况复杂很多,在程序中,我们加入了三维的模型建立、三维的FDTD计算公式、三维情况的总场边界条件(包括面边界条件和棱边界条件)以及PML吸收边界条件等。计算复杂度远远大于二维情况,对同一尺寸的缺陷和相同的入射激光参数,分别进行三维和二维的模拟,结果显示,三维情况下缺陷对场增强的贡献更大,验证了进行三维模拟的必要性。3)基于三维FDTD方法,建立了熔石英亚表面三维长方体缺陷、径向划痕、HCS以及杂质颗粒的缺陷模型,分别进行了计算模拟,并详细分析了各类缺陷对入射激光光场的调制作用,研究表明,后表面是激光损伤的薄弱环节;径向划痕的光场增强约能达到10,赫兹锥形划痕的场增强明显高于径向划痕,可以达到57,杂质颗粒对光场调制最明显,光强增强因子可以轻易突破100。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章引言  10-16
  1.1 课题背景  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-14
  1.3 该课题工作的意义  14
  1.4 该课题工作的主要内容  14-16
第二章熔石英亚表面激光损伤的机理  16-24
  2.1 激光损伤的定义和损伤类型  16-17
    2.1.1 激光损伤的定义  16-17
    2.1.2 激光损伤的类型  17
  2.2 激光参数对熔石英激光损伤的影响  17-19
    2.2.1 高能量激光和高功率激光  17-18
    2.2.2 激光波长  18
    2.2.3 激光脉宽  18
    2.2.4 多脉冲激光  18-19
    2.2.5 光斑尺寸  19
  2.3 亚表面物理特性对激光损伤的影响  19-20
  2.4 激光损伤的机理  20-21
    2.4.1 热损伤  20
    2.4.2 自聚焦效应  20-21
    2.4.3 杂质缺陷诱导激光损伤  21
  2.5 亚表面缺陷的产生与特征  21-23
  2.6 小结  23-24
第三章三维FDTD 方法  24-38
  3.1 FDTD 方法介绍  24-25
  3.2 激光散射的三维FDTD 分析和设计  25-36
    3.2.1 麦克斯韦方程及其三维FDTD 形式  25-31
    3.2.2 平面波的引入  31-32
    3.2.3 总场边界条件  32-36
    3.2.4 吸收边界条件  36
  3.3 理想熔石英内电场分布的三维模拟  36-37
  3.4 小结  37-38
第四章熔石英亚表面微缺陷调制作用的FDTD 分析  38-56
  4.1 长方体型缺陷  38-39
  4.2 后表面损伤问题  39-42
  4.3 三维径向划痕  42-45
  4.4 三维赫兹锥形划痕  45-50
  4.5 三维杂质颗粒  50-54
  4.6 小结  54-56
第五章总结和展望  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-64
攻硕期间取得的研究成果  64-65

熔石英亚表面缺陷诱导激光损伤的FDTD研究

内容摘要

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