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光学材料和薄膜激光热效应损伤研究

作　者: 苏雷
导　师: 曾晓东
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 热效应 有限元 ANSYS 薄膜 温度分布 热应变
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 226次
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内容摘要


激光自出现以来一直朝着提高功率、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以及全固态化、小型化的方向发展。目前,它已经深入到国民经济、国防建设和人们日常生活的大部分领域。由于激光系统中包含了大量的光学元件,涉及了大量光学介质和薄膜。因而激光与光学介质、光学薄膜的相互作用引起了极大的关注。高能激光系统中,由于一系列反射镜和窗口组成的“光学链”,不同程度地吸收部分激光能量,产生温升应力和变形,影响着光束质量和和远场传输,同时也对光学器件造成了损坏。目前研究光学元件的热效应大多以利用解析的方法,但是计算过于复杂而且能解出结果的情况只有极少数的简单情况,本文采用有限元方法对这一问题进行了分析。本文的研究工作主要有以下方面:(1)讨论了激光损伤的典型实验现象以及损伤机理(2)对脉冲激光入射物理模型为轴对称的圆柱体模型的进行了有限元离散化、单元分析和总体分析,得到了理论计算瞬态温度场的方程。(3)运用有限元仿真软件ANSYS求解了高斯脉冲辐照轴对称光学材料和薄膜的模型,得到了瞬态温度场和热形变分布,并对激光的各种参数对其分布的影响进行了比较分析。(4)总结了当前薄膜测量的理论依据和测量手段,并且对各种测量方法的精度进行了分析。为以后测量方法的选择提供了理论的依据。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章 绪论  7-11
  1.1 引言  7
  1.2 国内外在相关领域的研究进展  7-8
  1.3 课题研究的背景和意义  8-9
  1.4 本文的主要工作  9-11
第二章 激光损伤实验现象以及损伤机理  11-19
  2.1 光学材料对激光的吸收特性  11-12
  2.2 光学元件激光热损伤的定义和作用方式  12-13
  2.3 光学材料激光热损伤的典型实验结果和基本现象  13-15
  2.4 激光参数对激光热损伤阈值的影响  15-17
    2.4.1 焦斑效应  15-16
    2.4.2 激光脉宽  16
    2.4.3 多脉冲激光  16-17
  2.5 光学材料激光损伤机理  17-18
    2.5.1 激光的吸收引起的相变和热应力损伤  17
    2.5.2 雪崩离化机制  17
    2.5.3 多光子电离机制  17-18
    2.5.4 自聚焦效应  18
    2.5.5 材料中缺陷或杂质的影响  18
  2.6 本章小结  18-19
第三章 热应力损伤的有限元理论分析  19-37
  3.1 有限元方法介绍  19-22
    3.1.1 有限元方法简介  19-21
    3.1.2 ANSYS软件与APDL语言  21-22
  3.2 传热学的基本原理  22-26
    3.2.1 热传的基本方程  22-23
    3.2.2 温度场的基本概念  23
    3.2.3 傅立叶定律和导热微分方程  23-25
    3.2.4 导热问题的定解条件  25-26
  3.3 轴对称瞬态温度场的有限元理论分析  26-28
    3.3.1 温度插值函数  26
    3.3.2 温度的有限元理论分析  26-28
  3.4 圆柱轴对称热应力场的有限元解法  28-35
    3.4.1 空间轴对称物体的热应力的基本方程  28-31
    3.4.2 热应力有限元理论分析  31-35
  3.5 本章小结  35-37
第四章 脉冲激光与光学材料和薄膜相互作用的瞬态温度场和热形变数值模拟  37-49
  4.1 高斯脉冲的形式  37-38
  4.2 光学介质材料的物理模型  38-39
  4.3 光学材料和薄膜瞬态温度场数值仿真和分析  39-44
    4.3.1 所用材料和激光的参数  39-40
    4.3.2 温度数值模拟结果  40-44
  4.4 光学材料和薄膜瞬态热形变数值仿真和分析  44-47
    4.4.1 介质材料瞬态热形变分析  44-46
    4.4.2 光学薄膜热形变分析  46-47
  4.5 本章小结  47-49
第五章 应力测量的研究  49-55
  5.1 激光变形分析法理论依据-利用基片弯曲变形的应力测量  49-50
  5.2 测量方法  50-55
    5.2.1 激光干涉法  50-51
    5.2.2 激光束偏转法  51-55
第六章 结论  55-56
  6.1 本文的工作及结论  55
  6.2 进一步的工作  55-56
致谢  56-57
参考文献  57-59
作者在读期间的研究成果  59-60

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光的应用
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