光電系統(tǒng)的強(qiáng)激光破壞及防護(hù)技術(shù)研究.pdf

1、隨著激光技術(shù)在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用的日益廣泛和深入,使現(xiàn)代戰(zhàn)爭充斥著激光的威脅.拋開已大量裝備部隊(duì)的激光測距機(jī)、激光雷達(dá)、激光照射器等不談,用于攻擊光電傳感器的各類戰(zhàn)術(shù)激光武器已大量裝備于各軍事強(qiáng)國.激光對人眼、光學(xué)系統(tǒng)、光電系統(tǒng)的破壞日益受到重視,光電系統(tǒng)的激光破壞及其防護(hù)技術(shù)已成為光電對抗領(lǐng)域中重要組成部分,并成為該研究領(lǐng)域的焦點(diǎn). 本論文在總裝試驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目、軍隊(duì)科研項(xiàng)目和解放軍軍械工程學(xué)院重點(diǎn)基金等的資助下,開展了強(qiáng)激光對光學(xué)材

2、料、光學(xué)元器件、光電探測器件和光電系統(tǒng)的干擾、破壞以及強(qiáng)激光防護(hù)技術(shù)的研究工作. 本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)以下: 1.系統(tǒng)建立了激光輻照的熱力耦合理論模型以激光與物質(zhì)相互作用和熱傳導(dǎo)方程為理論基礎(chǔ),首次系統(tǒng)建立了激光輻照的熱力耦合理論模型,并對一維非穩(wěn)態(tài)方程、二維非穩(wěn)態(tài)(有限平頂光斑、高斯光斑)方程和三維非穩(wěn)態(tài)溫度方程進(jìn)行理論分析和研究,推導(dǎo)出不同情況下激光輻照材料的溫升和熱應(yīng)力方程,并進(jìn)一步對激光輻照材料的熔融時間和最大

3、熔融深度,氣化和燒蝕,沖擊波的傳播和層裂進(jìn)行理論研究. 2.對激光輻照光學(xué)材料的破壞技術(shù)進(jìn)行了研究建立了連續(xù)激光輻照工作波段外光學(xué)材料的數(shù)學(xué)模型,首次以波長為10.6μm的CO<,2>激光輻照K9玻璃為例,對基模高斯激光光束輻照材料的溫升和熱應(yīng)力場的瞬態(tài)分布進(jìn)行了計(jì)算模擬研究,通過曲線擬合確定材料最易損傷的位置,計(jì)算出材料的損傷閾值.結(jié)果表明:K9玻璃材料的損傷形態(tài)為解理破壞,破壞的原因是環(huán)向拉伸應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度,且材料的

4、損傷閾值與輻照時間反向相關(guān),即激光功率密度越高,造成破壞所需的時間越短. 建立了連續(xù)激光輻照工作波段內(nèi)光學(xué)材料的數(shù)學(xué)模型,首次對三維熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行精確求解解析解,得到了三維溫度場和熱應(yīng)力場分布,并以波長為1.315μm的氧碘激光輻照熔融石英玻璃為例進(jìn)行了理論研究.結(jié)果表明:當(dāng)激光的輻照時間為8s時,受激光輻照的入射面與出射面溫度均已超過熔融溫度,激光造成材料的熔融而穿孔,而此時材料的徑向、環(huán)向和激光傳輸方向上的最大熱應(yīng)力均未超過

5、材料的抗拉強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度,不足使其產(chǎn)生炸裂或解理.因此,氧碘激光對熔融石英的損傷主要是激光輻照導(dǎo)致材料熔融燒蝕甚至穿孔. 研究了連續(xù)激光對半導(dǎo)體材料的損傷機(jī)理.首次建立了激光輻照圓板型半導(dǎo)體靶材的二維物理模型,求解了熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力方程,得到了激光輻照引起的溫度場和應(yīng)力場的瞬態(tài)分布,分析了輻照時間、光斑半徑以及非線性參量對破壞閾值的影響.結(jié)果表明:InSb材料的損傷閾值與輻照時間和光斑半徑反向相關(guān),且在同一條件下熔融損傷閾值較熱應(yīng)

6、力損傷閾值低,材料的破壞形態(tài)為熔融破壞. 3.激光對光學(xué)器件的破壞技術(shù)研究首次對波長為1.06μm的脈沖激光輻照類金剛石(DLC)薄膜的熱沖擊效應(yīng)進(jìn)行了研究.建立理論模型,求解熱傳導(dǎo)和應(yīng)力平衡方程,得出了薄膜的溫度場和應(yīng)力場分布.理論分析表明:熱應(yīng)力破壞在脈沖強(qiáng)激光對DLC膜的損傷機(jī)理中占主導(dǎo)地位.當(dāng)輻照能量密度為E<,0>=100mJ·cm<'-2>時,在薄膜表面距光斑中心約40μm區(qū)域內(nèi)的壓應(yīng)力明顯超出其斷裂強(qiáng)度,將造成膜層

7、的剝離、脫落.理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符,表明建立熱沖擊效應(yīng)模型的正確性. 首次對激光破壞四象限探測器進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究.理論分析表明激光對光電探測器的干擾和破壞主要有兩方面的原因:一是激光造成半導(dǎo)體材料的"熔化和結(jié)晶",形成漏電通道,等效為一個并聯(lián)電阻；二是激光造成半導(dǎo)體材料破壞后光敏面面積減小.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光輻照四象限光電探測器中的一個或幾個,可造成光電探測器對光斑質(zhì)心測量的誤差. 首次建立了激光輻照HgCd

8、Te光電導(dǎo)探測器的非穩(wěn)態(tài)物理模型,得到了溫度場分布的數(shù)值解,分析瞬態(tài)溫度場分布隨時間變化的關(guān)系,討論了激光輻照對探測器性能參數(shù)的影響.理論分析表明:激光對HgCdTe光電導(dǎo)探測器的破壞,主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)破壞,且改變材料的禁帶寬度、光譜特性和電學(xué)特性等重要參數(shù),從而導(dǎo)致探測質(zhì)量下降,探測器失效,甚至器件的熔蝕. 4.光限幅器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究以Z掃描技術(shù)理論為基礎(chǔ),首先系統(tǒng)研究了介質(zhì)厚度、介質(zhì)位置、孔徑位置、孔徑大小、非線性吸收、非線