CO2激光輻照熔石英材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、熔石英作為激光裝置高通量段的首選材料，其激光誘導(dǎo)損傷是限制激光通量的“瓶頸”。抑制熔石英元件表面損傷及損傷增長并延長其使用壽命，是提升高功率固體激光裝置負(fù)載能力的重要手段。在諸多緩解熔石英元件表面損傷及其增長的方法中，CO2激光輻照的修復(fù)效果得到了普遍認(rèn)可。本文針對(duì)其物理機(jī)制開展了理論分析和數(shù)值計(jì)算，主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1.計(jì)算了高斯圓形CO2激光輻照熔石英元件的溫度分布與演化過程。當(dāng)激光輻照結(jié)束時(shí)，輻照中心的溫度最高

2、，向周圍逐漸降低，在輻照中心處，沿元件表面方向溫度梯度較小，而指向元件內(nèi)部的溫度梯度較大，等溫線在元件表面呈圓形，在元件內(nèi)部呈高斯形，且高斯形等溫線的寬度較大、深度較小。輻照升溫和冷卻降溫時(shí)溫度變化都是先快后慢，且靠近光斑邊緣處的溫度梯度較大。
　　2.利用有限元方法分析了脈沖激光參數(shù)對(duì)修復(fù)尺寸的影響。CO2激光修復(fù)過程中，蒸發(fā)和熔融區(qū)域的輪廓均呈高斯坑形，激光功率、輻照時(shí)間、光斑大小對(duì)修復(fù)尺寸的影響比較明顯，尤其是對(duì)修復(fù)深度的影

3、響比較大，而脈沖頻率和占空比對(duì)修復(fù)尺寸的影響比較小，隨著激光頻率的增加，蒸發(fā)尺寸明顯減小，而熔融尺寸變化不大，有利于抑制蒸發(fā)并促進(jìn)修復(fù)表面更光滑，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。
　　3.研究了CO2激光輻照熔石英元件的熱應(yīng)力分布與演化，以及激光輻照參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響。輻照過程中輻照區(qū)域由于快速升溫膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力，外圍產(chǎn)生拉應(yīng)力，冷卻過程中輻照區(qū)域快速降溫收縮逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，外圍轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。元件表面的主應(yīng)力以輻照中心為圓心呈環(huán)形分布，輻

4、照中心的材料由于曾經(jīng)發(fā)生熔融導(dǎo)致應(yīng)力不大，最大拉應(yīng)力位于輻照中心周圍。元件表面的剪切應(yīng)力關(guān)于輻照中心對(duì)稱，最大剪切應(yīng)力靠近輻照邊緣，高應(yīng)力區(qū)有四個(gè)，呈梭形。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，最大殘余剪切應(yīng)力的半徑與激光功率和輻照時(shí)間無關(guān)，隨光束半徑的增大而增大，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。
　　4.將蠕變理論引入高溫退火的數(shù)值計(jì)算中，模擬其對(duì)熔石英元件的去應(yīng)力效果，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，初步確定了熔石英材料在800℃時(shí)的蠕變系數(shù)。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)高溫退火確實(shí)能夠有效

5、減小元件的殘余應(yīng)力，然而，蠕變程度與退火前的殘余應(yīng)力及應(yīng)變密切相關(guān)，這可能對(duì)元件面型產(chǎn)生負(fù)面影響。另外，設(shè)計(jì)了大口徑熔石英元件的退火支撐方案，通過對(duì)比認(rèn)為，側(cè)面豎直支撐方案可以有效地控制元件自身重量對(duì)應(yīng)力和面型的影響。
　　5.采用傳熱與流動(dòng)相互耦合的方式建立了CO2激光輻照熔石英材料的二維熔融流動(dòng)模型，首次在理論上定量描述了修復(fù)形貌特征。通過分析導(dǎo)致流動(dòng)的三種驅(qū)動(dòng)力的作用，發(fā)現(xiàn)表面張力是引發(fā)流動(dòng)的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力，在表面張力作用下，表

6、層材料的熔融流動(dòng)使元件面形發(fā)生明顯變化，形成了高斯坑周圍存在環(huán)形凸起的獨(dú)特形貌，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。
　　6.計(jì)算了激光功率、輻照時(shí)間、光束半徑對(duì)CO2激光輻照過程中熔融流動(dòng)的影響，結(jié)果表明，流動(dòng)速度對(duì)輻照時(shí)間非常敏感，隨著輻照時(shí)間的增加流動(dòng)速度快速增加，與此同時(shí)，高斯坑深度和凸起環(huán)高度也迅速增加，而凸起環(huán)半徑變化不大。另一方面，在材料最高溫度相同的情況下，改變激光功率和光束半徑對(duì)流體的流動(dòng)速度影響都不大，隨著激光功率降低或者光束半徑

7、增大，高斯坑深度、凸起環(huán)高度和半徑均有不同程度增大，不過，功率對(duì)坑深和環(huán)高影響較明顯，對(duì)凸起環(huán)半徑影響不大，而光束半徑對(duì)坑深和環(huán)高影響較弱，對(duì)凸起環(huán)半徑的影響相對(duì)明顯。實(shí)驗(yàn)中也觀察到了類似的現(xiàn)象。
　　7.基于常見的元件表面損傷和缺陷，對(duì)劃痕、麻點(diǎn)和坑洞三種類型的損傷進(jìn)行建模，然后采用二維熔融流動(dòng)模型進(jìn)行修復(fù)模擬，發(fā)現(xiàn)無論是何種類型的損傷，經(jīng)過CO2激光單點(diǎn)修復(fù)后，最終都會(huì)呈現(xiàn)高斯坑周圍環(huán)形凸起的修復(fù)形貌。另外，原始損傷尺寸越大修