对CO₂激光修复熔石英元件损伤的理论上的计算模拟,首先要建立修复元件损伤的物理过程的模型及对不同损伤形貌的几何模型。研究在同一激光参数下不同损伤尺寸的热力学和动力学过程;研究在同一损伤尺寸不同激光参数下的热力学和动力学过程。作为高通量段固体激光装置的首选材料熔石英,由激光导致的损伤依然是限制CO₂激光通量的主要因素。抑制元件表面损伤增加,是提高激光装置负载能力的一个重要方法。在众多修复损伤的方法中,普遍认同CO₂激光的修复效果,针对这种修复方案的物理过程展开了理论分析及数值计算,本文研究的主要内容及结论如下:1.总结了熔石英表面损伤的特点、类型。结果表明:可以从损伤形貌上将其划分为划痕型、麻点型、坑洞型等几种。从形成属性上可分为脆性、塑性以及两种属性相混的损伤形貌。损伤点的形貌与CO₂激光光束形状、大小和空间分布有直接关系。对常见的元件表面损伤形貌进行建模,运用传热和流动的耦合来确立激光辐照熔石英元件的熔融模型,定量的描述了熔石英元件修复过程中的表面特征。2.只改变一种CO₂激光的参数,保持其它参数不变情况下,探讨了多种激光参数对修复不同损伤形貌的结果。结果显示修复后的形貌,基本外形呈现高斯坑形,对修复结果的影响比较显著的激光参数有:激光辐照时间、光束形状和功率。脉冲频率对修复尺寸的影响则不大,但增加频率可显著的缓解熔石英材料的蒸发,而对熔石英材料的熔融区域影响不大,可使元件修复后的表面更加光滑。和现有的实验结论相符合。3.计算了高斯形光束辐照熔石英元件的温度的演化过程和温度分布。刚修复后,最高温度位于光斑中心,并由中心向外梯度下降,温度在材料表面的下降速度较快,而温度在材料内的的下降速度则较慢,材料表面的等温线呈环形,而元件内的等温线的深度相对较小、宽度相对较大。在修复过程中和和修复后的冷却降温过程中温度变化均是先快速降低,然后减缓。4.在模拟修复后冷却过程中采用蠕变理论来分析,用该理论分析熔石英材料的退火过程中的应力。通过模拟可知该理论可有效的分析退火过程中的应力。此外,通过对比可以发现在退火过程中可以用大光束的激光,这有利于提高熔石英元件修复后的表面光滑程度。5.计算了激光辐照元件的热应力的分布与演化,及激光参数如何影响应力分布。CO₂激光辐照过程中光斑所在区会产生压应力,而在光斑之外产生拉应力,修复后的降温过程恰恰相反。材料表层的主应力关于光斑中心呈圆形分散开,光束中心元件表面的最大拉应力处于光束外围。而材料表面的最大剪切应力有四个,它们关于光束的圆心对称,并且位于辐照边缘,形状相似。此外残余剪切应力的最大半径只与激光光束的半径有关,和现有的实验结论相符合。6.模拟计算了光束半径、激光功率、辐照时间三个激光参数如何影响修复过程中材料在熔融时的流动,结果显示,随辐照时间的延长,熔融材料的流速迅速上升,同时,凸起环高度和高斯坑深度也快速增加。此外,在元件相同的最高温度情况下,改变光束半径和激光功率对的流速影响均较小。随着激光单位面积功率增大,凸起环高度、高斯坑深度、宽度均有不同程度增大,然而,激光功率对坑深和环高影响更显著,而光束半径对坑深和环高影响较弱,但对坑宽的影响却较显著。