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中的強激光束有效輸出的一個瓶頸，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)期以及實驗結(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，100 Hz激發(fā)輻照下會產(chǎn)生輕微的溫度馳豫積累，并在經(jīng)歷上百發(fā)次的輻照后達到材料的熔點，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)低于材料的斷裂強度，相比較而言，晶體在100 Hz入射激光輻照則會產(chǎn)生輕微的應(yīng)力馳豫積累，并在經(jīng)歷上百發(fā)次的輻照后才能達到材料的斷裂強

3、度。
　　再者，我們對光學(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的激光損傷閾值進行了模擬仿真。結(jié)果表明：KDP激光倍頻晶體表面加工微裂紋，會對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原因，因為理論計算表明：雜質(zhì)離子對入射激光會有一個比晶體本身強許多倍的吸收作用。仿真結(jié)果符合以下的理論預(yù)期以及實驗結(jié)果：1Hz激光輻照下的溫度隨輻照發(fā)次不會增加，因此體內(nèi)溫度始終應(yīng)該略低于材料的熔點；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逐漸累計并達到