激光脉冲空间分布对玻璃破坏的研究.pdf

I摘 要 纳秒激光脉冲空间分布对玻璃破坏的影响和机理，是激光与物质相互作用的一个研究方向在纳秒激光脉冲与玻璃相互作用时，热应力破坏影响很大目前，国内外针对激光空间分布的研究较少，对其破坏机理的解释也各有不同本论文采用有限元分析软件，计算了基模和基模外加不同宽度十字阻挡物的纳秒激光脉冲与玻璃作用所达到的温度和产生的热应力，并进行了实验验证 本课题主要进行了以下研究工作： (1) 模拟计算了基模脉冲照射玻璃后的温度应力分布以及基模外加不同宽度的十字照射玻璃后的温度应力分布通过分析各模型中温度应力极值点处的受力状态，计算其等效应力计算得到：基模激光脉冲照射后产生的等效应力最大，达 675MPa；外加十字后的激光脉冲照射后产生的等效应力随着十字宽度的增加而减小，当十字宽度为光斑直径的 1/25 时，最大等效应力比基模情况下小 10% (2) 进行了激光空间分布对于玻璃破坏影响的实验， 得到当外加十字宽度为光斑直径的 1/30，脉冲峰值功率比基模脉冲峰值功率高 10%时，破坏效果与基模脉冲相同，这与理论模拟结果相一致玻璃材料破坏区域的大小随着峰值功率的增大而增大，这证明了应力破坏是激光脉冲破坏玻璃的重要原因之一。

(3) 采用光学显微镜观察破坏点形态，推测了玻璃的破坏过程，即：中心处极高的压应力导致剪切破坏，产生大量裂纹，形成了中心暗斑；由于裂纹扩展，以中心暗斑为球心，向空间发散出多条丝状裂纹；同时，由于中心处高温产生了气化及等离子体，加上暗斑处和裂纹处的收缩，使得暗斑上面产生了环状的裂纹，在显微镜下观察即为环形的暗纹 同时，展望了高阶模式以及混合模式下光斑空间分布对玻璃的破坏本课题对破坏机理的研究及实际的工程应用有重要的指导意义 关键词关键词：纳秒激光脉冲 空间分布 裂纹扩展 等效应力 IIAbstract The damage mechanism of spatial distribution of nanosecond laser pulses effecting on transparent material is an important research direction of interaction between laser and material. Thermal stress has a great influence when the nanosecond laser pulse interaction with transparent materials. At present, different spatial distribution of laser-beam is not extensively researched at home and abroad. The interpretation of the damage mechanism is also different. In this thesis, finite element analysis software was used to calculate and compare the temperature and thermal stress which were generated by laser pulse of fundamental mode and fundamental mode with cross block interaction with transparent material, and experiment was done to test and verify the theoretical calculation. The main work carried out as follows: (1) The temperature and thermal stress of glass after different pulses irradiation were simulated and calculated. By analyzing the stress state of all the danger points, the equivalent stress can be calculated. The equivalent stress of fundamental mode laser beam interaction with glass was the biggest. And it is 675MPa. With the increase of the cross width, the equivalent stress drops. When the cross width is 4 percent of the spot diameter, the equivalent stress is 10 percent less than fundamental mode. (2) Experiments were performed to verify the simulation. The result of experiments was coincided with the theoretical calculation. In order to achieve the same destruction, the peak power of the pulse with cross (the width of the cross equals to 1/30 of the spot diameter) need to be 10 percents more. In addition, the experiment found that the size of the damage region increased with the peak power increasing, which can prove that stress damage is important in laser damage to glass (3) According to the comparison of the damage region under the optical microscope, the failure process can be surmised: in the centre of the damage region, high compressive stress leads to shear failure, so a large number of cracks appeared which format a central dark spot. Because of the crack growth, a lot of filamentous cracks with the central dark spot for the core formed in the space. And at the same time, the impaction of high-temperature plasma in the center and the shrinking of dark spot and cracks create a ring crack on the top of the dark IIIspot which can be observed under the optical microscope. At the same time, high order mode laser and hybrid mode laser interacting with glass was prospected. This part of the work has an important guiding significance in the study of damage mechanism and practical application. Key words: nano-second laser pulse the spatial distribution crack growth equivalent stress 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□，在 年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 11 绪论 随着上世纪六十年代初调 Q 激光器的出现，激光损伤就为人们所发觉对激光与物质相互作用这个领域，国内外学者进行了很多研究，包括：损伤阈值的定义及检测、损伤机理和现象的研究 1.1 损伤阈值的定义及检测 激光损伤阈值的定义通常有两种：一种是零损伤定义，一种是 50%损伤定义。

激光损伤阈值的测量值与探测手段的种类和灵敏度有关采用合适的激光损伤检测方法是准确测定激光损伤阈值的重要条件之一目前光学材料损伤的检测方法已经发展得比较成熟 在实际研究中，对于光学玻璃、薄膜、探测器以及 CCD 破坏的损伤检测和判别方法各式各样例如：在玻璃的破坏实验中，有些将杂质是否汽化作为损伤判据，有些根据玻璃的透射率或折射率的突变作为损伤判据，有些根据 Normaski 显微镜 100 倍率下观测得到色斑或孔洞作为损伤判据[1~3]在薄膜的破坏实验中，有些选用基于差异图像直方图的相似性测度来判定两幅图像的相似程度，进而达到识别损伤[4]；有些根据Normaski 显微镜观测来判定损伤[5] 在探测器的破坏实验中，一般根据探测器不再有信号输出来判定损伤[6] 1.2 激光脉冲破坏材料的机理 激光材料破坏由激光参数和材料特性两方面决定激光参数包括脉冲宽度、重复频率、激光波长、光斑直径、光斑空间分布、聚焦与否、光束横向均匀性等；而光学材料表面灰尘、污染、加工不光滑、镀膜方式、镀膜均匀性、杂质缺陷等会影响激光破坏阈值[7~9]对于透明材料来说，激光对其破坏效果与脉冲宽度关系较大，短激光脉冲照射时破坏主要是由电磁场力引起电介质破坏而造成的[10]。

高功率的短脉冲激光对材料损伤过程短，主要是激光电场效应起作用，多以炸裂为主高功率激光对光学元件的损伤，往往起因于某些高电场导致的非线性效应在长激光脉冲作用时，热过程占优势目前研究得较多的是超短脉冲激光以及长脉冲与光学材料的作用 2透明材料的破坏机理包括：激光的吸收引起的相变和热应力损伤、雪崩离化机制、多光子电离机制、自聚焦效应以及材料中缺陷或杂质的影响有文献指出：短脉冲激光下（tp> （2-1） 式中，ρ、c、k分别是材料的定压密度、比热容和热导率，可以与温度有关，本课题中研究的玻璃为普通平板玻璃，其值为常数，分别为2500、710和1.207R 为材料表面对激光的反射率α为材料对激光的吸收系数，Q是热源[27] 根据·。