強(qiáng)激光對(duì)材料熱損傷的有限元法研究.pdf

1、通常，強(qiáng)激光分為高能量激光和高功率激光兩種，高能量激光一般指連續(xù)激光和長(zhǎng)脈沖激光，高功率激光指短脈沖激光和超短脈沖激光。強(qiáng)激光在工業(yè)和軍事等方面有著非常重要的應(yīng)用，但其中不可避免的要涉及到各類(lèi)材料的激光損傷問(wèn)題。應(yīng)用于慣性約束核聚變等高功率激光系統(tǒng)中的光學(xué)元件，在高功率激光的強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)作用下，在短時(shí)間內(nèi)可遭到不同程度的損傷和破壞，輕者導(dǎo)致光束質(zhì)量的降低而阻礙系統(tǒng)性能的正常發(fā)揮，重者導(dǎo)致激光系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行工作。長(zhǎng)期以來(lái)，激光對(duì)光學(xué)元件的破壞一

2、直是限制激光向高功率、高能量發(fā)展的“頸瓶”；而應(yīng)用于激光武器和激光加工中的高能量激光，可導(dǎo)致材料溫度的升高，產(chǎn)生形變和應(yīng)力，引起材料的熱損傷破壞。因此，研究材料激光損傷的物理規(guī)律，不斷提高其抗激光損傷能力，具有非常重要的應(yīng)用意義。 研究激光對(duì)物質(zhì)的損傷主要有實(shí)驗(yàn)方法、理論分析方法和數(shù)值計(jì)算方法，其中的數(shù)值計(jì)算方法又可以分為有限差分法和有限元法等。有限差分法具有簡(jiǎn)單高效和易于編程計(jì)算的特點(diǎn)；而有限元法則具有非常好的靈活性和非常強(qiáng)的

3、處理復(fù)雜問(wèn)題的能力。本論文中，我們主要運(yùn)用有限元法，基于傅立葉熱傳導(dǎo)理論和經(jīng)典的熱彈性理論，建立了激光輻照材料的三維數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算了材料瞬態(tài)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的分布，進(jìn)而研究了材料的熱熔融損傷和熱應(yīng)力損傷。本文的主要工作和結(jié)論如下： 1．回顧了國(guó)內(nèi)外強(qiáng)激光對(duì)材料損傷的研究進(jìn)展，從理論上論述了物質(zhì)對(duì)激光的反射、吸收和轉(zhuǎn)化的基本機(jī)制，簡(jiǎn)要描述了材料的激光損傷狀態(tài)和損傷類(lèi)型，介紹了幾種不同的激光損傷機(jī)理，分析了影響材料損傷的各種因素

4、。 2．運(yùn)用有限元法對(duì)傅立葉熱傳導(dǎo)理論和經(jīng)典熱彈性理論進(jìn)行了描述，建立了激光輻照材料的三維有限元數(shù)值計(jì)算模型。利用此模型，分別以K9玻璃、InSb和InSb光伏探測(cè)器為例，計(jì)算了激光輻照光學(xué)材料、半導(dǎo)體和光電探測(cè)器引起的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分布，得出了材料的熱熔融損傷閡值和熱應(yīng)力損傷閾值，分析了材料的激光損傷類(lèi)型，并討論了激光參數(shù)和材料性質(zhì)對(duì)損傷閩值的影響。所得的結(jié)論與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。 本文中的有限元數(shù)值計(jì)算模型不