激光輻照短波通截止膜的溫升規(guī)律和損傷效應(yīng)研究.pdf

1、結(jié)合課題研究需要，論文以典型光電裝置中的光學(xué)系統(tǒng)的拼接棱鏡入射面，即短波通截止膜面，作為研究對(duì)象，開(kāi)展了不同波長(zhǎng)、不同工作方式激光輻照短波通截止膜引起的溫升規(guī)律和破壞效應(yīng)的研究。利用ANSYS程序的熱分析模塊，計(jì)算了激光輻照短波通截止膜的溫度場(chǎng)。采用紅外熱像儀測(cè)量溫度數(shù)據(jù)，校正數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，通過(guò)確定綜合常數(shù)K，給出了激光輻照薄膜的溫升規(guī)律，以及激光對(duì)薄膜的破壞效應(yīng)，分析了由溫度引起的熱應(yīng)力。主要研究結(jié)果如下： 1.短波通截止

2、膜的破壞特點(diǎn)結(jié)合激光對(duì)短波通截止膜溫度場(chǎng)的計(jì)算，敘述了激光輻照多層薄膜元件產(chǎn)生的溫度場(chǎng)理論。由多層薄膜的駐波場(chǎng)理論，得到溫度與駐波場(chǎng)幅度成正比，薄膜首先從溫度高的位置產(chǎn)生破壞。由于薄膜內(nèi)駐波場(chǎng)幅度不一定在外層薄膜處最大，激光對(duì)多層薄膜的破壞并不一定發(fā)生在薄膜表面。因此，多層薄膜的駐波場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜的破壞效應(yīng)產(chǎn)生重要影響。 2.薄膜破壞時(shí)間和失效溫度的確定通過(guò)開(kāi)展激光輻照短波通截止膜的失效閾值和破壞效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中確定薄膜

3、破壞的有效方法是：(1)通過(guò)監(jiān)測(cè)薄膜反射、散射信號(hào)幅度的突變，來(lái)確定激光輻照過(guò)程中薄膜的破壞時(shí)間； (2)通過(guò)分析紅外熱像儀測(cè)量激光輻照薄膜產(chǎn)生溫度的反常變化，如不同時(shí)間截面溫度分布出現(xiàn)突然下降，來(lái)確定激光破壞薄膜所需要的激光強(qiáng)度、輻照時(shí)間和失效溫度。 3.激光輻照薄膜元件的溫升以短波通截止膜作為數(shù)值模擬的對(duì)象，根據(jù)多層薄膜的特點(diǎn)，建立了連續(xù)激光輻照多層薄膜元件溫度場(chǎng)的物理模型。 利用ANSYS程序的熱分析模塊，

4、采用薄膜內(nèi)網(wǎng)格劃分小，K。玻璃基體材料內(nèi)網(wǎng)格劃分大的網(wǎng)格過(guò)渡劃分方法，在保證計(jì)算精度的條件下，減少了計(jì)算時(shí)間。在假設(shè)材料物理參數(shù)不變的條件下，縮小模型，建立了適合連續(xù)激光輻照多層薄膜溫度場(chǎng)的計(jì)算模型。 用紅外熱像儀測(cè)量連續(xù)激光輻照薄膜元件溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，校正數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，確定1.06μm連續(xù)激光輻照有全反射鋁膜面短波通截止膜和無(wú)全反射鋁膜面短波通截止膜產(chǎn)熱率方程的綜合常數(shù)分別為K=1.2、K=1.23，1.315μm連續(xù)激光

5、輻照有全反射鋁膜面短波通截止膜產(chǎn)熱率方程的綜合常數(shù)K=0.8，由此得到不同波長(zhǎng)連續(xù)激光輻照不同薄膜元件溫升的變化規(guī)律。 4.脈沖激光輻照薄膜元件的溫升和熱應(yīng)力利用1.06μm連續(xù)激光輻照有全反射鋁膜面短波通截止膜溫度場(chǎng)數(shù)值模擬得到的綜合常數(shù)K=1.2，計(jì)算了脈沖激光輻照有全反射鋁膜面短波通截止膜內(nèi)產(chǎn)生的溫度效應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明：在脈沖激光作用下，薄膜內(nèi)駐波場(chǎng)最大位置不在薄膜表面，而是從K。玻璃基體表面開(kāi)始的第42層薄膜處。該膜層處

6、對(duì)應(yīng)溫度場(chǎng)最高，激光對(duì)薄膜的破壞首先從該膜層開(kāi)始。 根據(jù)脈沖激光輻照有全反射鋁膜面短波通截止膜內(nèi)產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算了薄膜內(nèi)由溫升引起的熱應(yīng)力分布。計(jì)算結(jié)果表明：脈沖激光作用時(shí)間短，熱擴(kuò)散小，薄膜在光斑輻照范圍內(nèi)熱效應(yīng)明顯，而在光斑輻照區(qū)域外熱效應(yīng)的影響很小；在光斑區(qū)域內(nèi)，溫升引起的熱應(yīng)力在薄膜厚度方向、徑向和環(huán)向具有壓應(yīng)力的特征，但在光斑區(qū)域外鄰近的地方壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力。 綜上所述，在開(kāi)展激光輻照短波通截止膜溫升規(guī)律