《脉冲串激光致k9玻璃损伤的热力学效应研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《脉冲串激光致k9玻璃损伤的热力学效应研究（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、编号 本科生毕业论文脉冲串激光致 K9 玻璃损伤的热力学效应研究The Thermodynamic Effect of Trains-pulse Laser-induced Damage of K9 Glass学 生 姓 名 付星驰专 业 电子科学与技术学 号 100131102指 导 教 师 谭勇、蔡继兴学 院 理学院二一四年六月长春理工大学本科毕业论文毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文） 脉冲串激光致 K9玻璃损伤的热力学效应研究 ，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，
2、不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文） ，可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月 日长春理工大学本科毕业论文
3、I摘 要本文用有限元方法建立了脉冲串激光辐照K9玻璃应力与温升问题的计算模型，使用该模型分析和计算了脉冲串激光辐照K9玻璃后的应力与温升变化规律。COMSOL Multiphysic是计算机辅助工程领域应用最广泛的有限元分析软件, 通过脉冲串激光损伤K9玻璃有限元模型的建立和网格划分、脉冲激光的加载、设置初始条件和边界条件等几个方面, 分析了基于COMSOL Multiphysic仿真脉冲串激光损伤K9玻璃过程中的一些关键问题。建立了脉冲串激光损伤 K9玻璃的有限元模型, 对K9玻璃受到脉冲串激光辐照时的温度和应力分布进行了数值分析。本文的研究结果对增加激光对靶材的破坏能力，了解激光与物质相互
4、作用的性质以及激光相关应用的发展有一定的促进作用。关键词：脉冲串激光 数值模拟 有限元方法 K9 玻璃长春理工大学本科毕业论文IIAbstractIn this paper, we established the calculation model of stress and temperature rise of K9 glass under trains-pulse laser, then we calculated and analyzed the regulation of stress and temperature rise while we used trains-pulse l
5、aser heating the K9 glass using finite element method. COMSOL Multiphysic is a widely-used finite element model analysis software in compute aided engineering. Some critical problems are analyzed in damage of K9 glass by trains-pulse laser based on COMSOL Multiphysic from the following aspects build
6、ing and meshing of finite-element model, loading of pulsed laser, setting of initial conditions and boundary conditions. The finite element model was established and a numerical analysis was performed to calculate the temperature and stress distribution in K9 glass irradiated by trains-pulse laserTh
7、e research results in this paper will facilitate the study of laser irradiated on medium. They will also promote the development of laser induced plasma applications.Keywords: trains-pulse laser; numerical simulation; finite element method; K9 glass长春理工大学本科毕业论文III目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课
8、题研究目的与意义 .11.2 国内外研究进展 .11.2.1 激光与物质相互作用的研究进展 .21.2.2 激光与 K9 玻璃相互作用的研究进展 .31.3 本文的研究内容 .4第 2 章 激光与介质相互作用的基本理论及有限元模型 .52.1 激光与 K9 玻璃的相互作用 .52.1.1 K9 玻璃对激光的吸收 .62.1.2 K9 玻璃的性质对激光热作用的影响 .62.1.3 激光损伤光学介质的机理 .82.2 脉冲串辐照 K9 玻璃的温升模型及有限元求解 .82.2.1 传热学基本理论 .82.2.2 激光辐照 K9 玻璃后的温升模型及其微分方程形式 .102.2.3 求解温度场的有限元方
9、法 .112.3 本章小结 .14第 3 章 软件模拟脉冲串激光辐照 K9 玻璃 .153.1 COMSOL Multiphysics 仿真软件简介 .153.2 仿真模拟结果及数值分析 .15第 4 章 总结 .23参考文献 .24致谢 .25长春理工大学本科毕业论文1第 1 章 绪论1.1 课题研究目的与意义光学元件作为激光驱动器系统的“器官” ，至关重要，有“一代光学元件，一代激光器”的说法。对于大型和超大型激光驱动器系统，长期安全、稳定的运行至关重要，这也是各国进行大型激光驱动器系统研制，特别是 ICF（制约激光约束核聚变）驱动器研制的科学家们所面临的技术和科学上的巨大挑战。对于高功率
10、激光器来说，虽然光学元件的发展和使用过程中遇到许多技术和科学上的挑战，但是最关键和最重要的挑战或许是如何尽可能的减少和消除强激光辐照所导致的元件损伤，这也是目前制约大型激光系统向更高更强发展的最大瓶颈，这也将是一个持续的挑战，因为当一种新的抗激光损伤材料和加工技术被开发和应用并提高光学元件的抗损伤能力后，受经济利益和技术追求的驱使，激光器的设计者们必会将激光系统的工作能力增加到这些新材料的极限。当激光器输出的能量密度等级加大时，对于一个既定成本的激光器可以获得更高的能量输出，而光学元件的抗激光损伤能力越高，那么这些光学元件的寿命就越长。并且光学原件也是导弹、卫星以及光学观测等系统中重要的原件，
11、高能激光对光学元件的破坏能够使卫星、导弹以及航天飞机等致盲和失控。因此，研究高能激光对光学原件的损伤，对研制和发展战略和战术防卫武器有非常重要的意义。K9玻璃广泛用作光学仪器的窗口、棱镜以及反射镜、滤光片的基体。K9玻璃的脉冲串激光损伤,是光学系统抗激光辐照中的典型问题。人们对K9玻璃的激光损伤己经进行了很长时间的研究，通过实验，理论分析，数值模拟，已经得出了大量的数据和理论模型，获得了很多的结论，但有许多问题还有待研究:如不同激光波长、脉宽、材料条件下的激光损伤特性等，开展脉冲串激光辐照K9玻璃增加损伤效果等新的研究方向，对激光生产和激光的军事应用有一定的借鉴意义。1.2 国内外研究进展激光
12、技术在我国经过 40 多年的发展，取得了很多科技成果，大多数已用于生产实践，激光为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了技术难题，但仍存在的许多问题，例如，在激光加工光束质量方面提出了很高要求，在激光加工外围装置方面有待进一步提高。激光波长是影响激光加工质量的重要因素之一，不同波长的激光对材料的损伤程度不同，目前在大型高峰值功率固体激光装置的建造和运行过程中，影响其最大负载能力的关键因素是光学元件的损伤阀值。K9 光学玻璃作为高功率激光器重要的光学元件，其性能的好坏直接关系长春理工大学本科毕业论文2到激光器功率输出的大小和光束质量。另外 K9 玻璃广泛地应用于激光内雕，激光刻蚀等激光加工工艺中
13、，K9 玻璃的好坏关系到激光加工的质量以及光学元件的使用寿命。因此研究单波长激光和双波长激光对 K9 玻璃的损伤很有必要。1.2.1 激光与物质相互作用的研究进展上世纪70年代末，国外的学者对光学材料激光损伤进行了测量和分析，讨论雪崩电离和多光子吸收的物理的过程，总结了光学玻璃的激光损伤机理大致归结为:雪崩电离、多光子吸收、杂质诱导损伤等。1965年，在频率低于电离强度的强电磁场中，L.V Keldysh根据固体能带理论，得到了原子和固体的电离几率的表达式。在低频极限的情况下，这些表达式转化成隧道自由电离几率公式;在高频极限情况下，这些表达式描述了几个光子同时吸收的过程，电离几率大部分归因于激发态原子的中间转换 1。1980年，A. Vaidyanathan等人在强电场中激光诱导损伤宽禁带的非金属物质产生密度为108/cm3的导带电子，此过程可以用三种不同的模型计算 :1.雪崩
