重頻激光輻照KDP晶體損傷的有限元法研究.pdf

1、眾所周知，光學(xué)元件的負(fù)載能力是制約被用于ICF中的強(qiáng)激光束有效輸出的一個(gè)瓶頸，本論文以熱彈性方程以及熱傳導(dǎo)方程作為理論基礎(chǔ)，使用有限元分析方法，針對(duì)KDP激光倍頻晶體的激光輻照損傷過程做了一些相關(guān)研究。
　　首先在不考慮光學(xué)材料KDP激光倍頻晶體的缺陷，也就是在理想狀態(tài)下，且考慮KDP晶體材料的非線性以及彈性模量、熱導(dǎo)率、熱容、以及熱膨脹系數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)隨溫度的不同而變化的特性，使用數(shù)字仿真分析軟件ANSYS，得到了KDP激光倍頻

2、晶體的熱場以及熱應(yīng)力場分布以及相應(yīng)的變化。仿真結(jié)果符合以下的理論預(yù)期以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果：純凈KDP激光倍頻晶體在1 Hz、10 Hz入射激光輻照下溫度遠(yuǎn)低于材料熔點(diǎn)，100 Hz激發(fā)輻照下會(huì)產(chǎn)生輕微的溫度馳豫積累，并在經(jīng)歷上百發(fā)次的輻照后達(dá)到材料的熔點(diǎn)，而其相應(yīng)的熱應(yīng)力在1 Hz、10 Hz入射激光輻照下其值遠(yuǎn)低于材料的斷裂強(qiáng)度，相比較而言，晶體在100 Hz入射激光輻照則會(huì)產(chǎn)生輕微的應(yīng)力馳豫積累，并在經(jīng)歷上百發(fā)次的輻照后才能達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)

3、度。
　　再者，我們對(duì)光學(xué)材料KDP激光倍頻晶體，存在拋光磨削加工表面微裂紋這種缺陷時(shí)的激光損傷閾值進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果表明：KDP激光倍頻晶體表面加工微裂紋，會(huì)對(duì)KDP激光倍頻晶體的溫度分布和熱應(yīng)力分布產(chǎn)生嚴(yán)重影響，會(huì)使得激光的大部分本應(yīng)穿透的能量集中在微裂紋尖端很小的附近，讓KDP激光倍頻晶體缺陷周圍處于熔融態(tài)，進(jìn)而損傷晶體，降低其閾值。
　　然后，我們考慮了KDP激光倍頻晶體在加工過程中體內(nèi)混入的各種雜質(zhì)諸如Al3+、

4、Fe3+、Pb2+等對(duì)其負(fù)載能力的影響，模擬了在有雜質(zhì)影響下，KDP激光倍頻晶體的溫度分布以及熱應(yīng)力分布，我們發(fā)現(xiàn)：雜質(zhì)離子是造成KDP激光倍頻晶體損傷的最主要的一個(gè)原因，因?yàn)槔碚撚?jì)算表明：雜質(zhì)離子對(duì)入射激光會(huì)有一個(gè)比晶體本身強(qiáng)許多倍的吸收作用。仿真結(jié)果符合以下的理論預(yù)期以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1Hz激光輻照下的溫度隨輻照發(fā)次不會(huì)增加，因此體內(nèi)溫度始終應(yīng)該略低于材料的熔點(diǎn)；10Hz激發(fā)輻照下有輕微增加，經(jīng)過幾十發(fā)次的激光輻照后溫度會(huì)逐漸累計(jì)并達(dá)到