组合脉冲激光致光学玻璃损伤特性研究

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在高能激光系统中,光学玻璃的抗激光损伤性能限制了整个设备的寿命,甚至制约了整个系统的发展。目前光学材料激光损伤研究中多使用短脉冲激光,本文从实验和数值模拟两方面研究了组合脉冲激光致K9玻璃损伤机理和特性,并对损伤过程中的声发射特性进行了分析。建立了组合脉冲激光(CPL,由相隔一定时间的毫秒激光和纳秒激光构成)实验平台,研究了激光能量密度、延迟时间对K9玻璃前、后表面损伤特性和声发射信号的影响。结果表明,前表面以熔融损伤为主,损伤形貌可分为烧蚀斑损伤、熔融损伤和锥形损伤三种;后表面主要为应力损伤,损伤形貌可分为百微米量级的小尺寸损伤和厘米量级的大尺寸损伤。前表面激光损伤过程中伴随有强烈的声发射,其频谱主要分布在0~10 k Hz频率范围。前后表面均存在最佳延时区域,对应的损伤概率和损伤尺寸最大,且在延时相同时,不同的激光能量密度作用的声信号衰减持续时间相近,说明激光作用过程相同。随能量密度增加,前表面损伤概率增大;后表面在较大能量密度下更容易产生大损伤。同时,前后表面损伤尺寸都随能量密度的增加而增大。与单束毫秒激光比较,组合脉冲激光明显提高了材料的损伤概率。此外,通过波形振荡衰减持续时间和声信号出现突变的时间,可分别判断激光与材料相互作用程度以及损伤产生时间。建立了二维轴对称热力学模型,数值计算了激光辐照结束后锥形坑周围材料的温度场和应力场。计算结果显示,环向应力和径向应力是导致K9玻璃产生应力损伤的主要原因,表面熔融堆积处的应力损伤主要由压应力产生,堆积外围区域则主要是拉应力。凹坑周围熔融堆积物厚度和锥形凹坑尺寸的增大均会导致应力增加,与实验结果吻合。本研究有助于掌握激光诱导元件损伤的损伤机制和物理规律,对单毫秒激光和CPL与光学玻璃相互作用的损伤机理和损伤过程的研究提供一定参考。
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