光电系统的强激光破坏及防护技术研究

论文题目: 光电系统的强激光破坏及防护技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 物理电子学

作者: 牛燕雄

导师: 姚建铨

关键词: 光电对抗,激光武器,激光辐照效应,激光防护,光限幅效应

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着激光技术在军事领域中应用的日益广泛和深入,使现代战争充斥着激光的威胁。抛开已大量装备部队的激光测距机、激光雷达、激光照射器等不谈,用于攻击光电传感器的各类战术激光武器已大量装备于各军事强国。激光对人眼、光学系统、光电系统的破坏日益受到重视,光电系统的激光破坏及其防护技术已成为光电对抗领域中重要组成部分,并成为该研究领域的焦点。本论文在总装试验技术项目、军队科研项目和解放军军械工程学院重点基金等的资助下,开展了强激光对光学材料、光学元器件、光电探测器件和光电系统的干扰、破坏以及强激光防护技术的研究工作。本文的主要内容和创新点以下:1.系统建立了激光辐照的热力耦合理论模型以激光与物质相互作用和热传导方程为理论基础,首次系统建立了激光辐照的热力耦合理论模型,并对一维非稳态方程、二维非稳态(有限平顶光斑、高斯光斑)方程和三维非稳态温度方程进行理论分析和研究,推导出不同情况下激光辐照材料的温升和热应力方程,并进一步对激光辐照材料的熔融时间和最大熔融深度,气化和烧蚀,冲击波的传播和层裂进行理论研究。2.对激光辐照光学材料的破坏技术进行了研究建立了连续激光辐照工作波段外光学材料的数学模型,首次以波长为10.6μm的CO2激光辐照K9玻璃为例,对基模高斯激光光束辐照材料的温升和热应力场的瞬态分布进行了计算模拟研究,通过曲线拟合确定材料最易损伤的位置,计算出材料的损伤阈值。结果表明:K9玻璃材料的损伤形态为解理破坏,破坏的原因是环向拉伸应力大于材料的抗拉强度,且材料的损伤阈值与辐照时间反向相关,即激光功率密度越高,造成破坏所需的时间越短。建立了连续激光辐照工作波段内光学材料的数学模型,首次对三维热传导方程进行精确求解解析解,得到了三维温度场和热应力场分布,并以波长为1.315μm的氧碘激光辐照熔融石英玻璃为例进行了理论研究。结果表明:当激光的辐照时间为8s时,受激光辐照的入射面与出射面温度均已超过熔融温度,激光造成材料的熔融而穿孔,而此时材料的径向、环向和激光传输方向上的最大热应力均未超过材料的抗拉强度或抗压强度,不足使其产生炸裂或解理。因此,氧碘激光对熔融石英的损伤主要是激光辐照导致材料熔融烧蚀甚至穿孔。研究了连续激光对半导体材料的损伤机理。首次建立了激光辐照圆板型半导体靶材的二维物理模型,求解了热传导和热应力方程,得到了激光辐照引起的温度场和应力场的瞬态分布,分析了辐照时间、光斑半径以及非线性参量对破坏阈值的影响。结果表明:InSb材料的损伤阈值与辐照时间和光斑半径反向相关,且在同一条件下熔融损伤阈值较热应力损伤阈值低,材料的破坏形态为熔融破坏。3.激光对光学器件的破坏技术研究首次对波长为1.06μm的脉冲激光辐照类金刚石(DLC)薄膜的热冲击效应进行了研究。建立理论模型,求解热传导和应力平衡方程,得出了薄膜的温度场和应力场分布。理论分析表明:热应力破坏在脉冲强激光对DLC膜的损伤机理中占主导地位。当辐照能量密度为E0=100mJ·cm-2时,在薄膜表面距光斑中心约40μm区域内的压应力明显超出其断裂强度,将造成膜层的剥离、脱落。理论分析与实验结果基本相符,表明建立热冲击效应模型的正确性。首次对激光破坏四象限探测器进行了理论分析和实验研究。理论分析表明激光对光电探测器的干扰和破坏主要有两方面的原因:一是激光造成半导体材料的“熔化和结晶”,形成漏电通道,等效为一个并联电阻;二是激光造成半导体材料破坏后光敏面面积减小。实验结果表明激光辐照四象限光电探测器中的一个或几个,可造成光电探测器对光斑质心测量的误差。首次建立了激光辐照HgCdTe光电导探测器的非稳态物理模型,得到了温度场分布的数值解,分析瞬态温度场分布随时间变化的关系,讨论了激光辐照对探测器性能参数的影响。理论分析表明:激光对HgCdTe光电导探测器的破坏,主要表现为热效应破坏,且改变材料的禁带宽度、光谱特性和电学特性等重要参数,从而导致探测质量下降,探测器失效,甚至器件的熔蚀。4.光限幅器的优化设计研究以Z扫描技术理论为基础,首先系统研究了介质厚度、介质位置、孔径位置、孔径大小、非线性吸收、非线性折射等因素对光限幅器的影响。5.可溶性碳纳米管光限幅效应研究系统研究了可溶性碳纳米管对波长为1.06μm和0.53μm激光的光限幅效应。实验结果表明:可溶性碳纳米管对波长为1.06μm和波长为0.53μm的激光具有优良的限幅效应。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 激光武器及光电系统的干扰和破坏

1.1.1 激光武器系统

1.1.2 光电系统的干扰和破坏

1.2 激光防护技术

1.2.1 激光防护装置的性能参数

1.2.2 基于线性光学原理的激光防护技术

1.2.3 基于非线性光学原理的激光防护技术－激光限幅器

1.2.4 基于其它原理的激光防护技术

1.3 激光破坏及其防护技术的研究进展

1.3.1 激光破坏技术的研究进展

1.3.2 激光防护技术的研究进展

1.4 本文主要研究的内容

第二章激光与材料的相互作用

2.1 激光的反射和吸收

2.1.1 半导体和电介质材料

2.1.2 金属材料

2.2 材料的温升

2.2.1 一维非稳态温度场方程

2.2.2 二维非稳态温度场方程

2.2.3 三维非稳态温度场方程

2.3 材料的熔融

2.4 材料的热应力

2.4.1 二维热应力分布

2.4.2 三维热应力分布

2.5 材料的气化和烧蚀

2.6 冲击波的传播与层裂

2.7 本章小结

第三章激光对光学材料的破坏研究

3.1 光学材料概述

3.1.1 光学材料的基本性能

3.1.2 常用的光学材料

3.2 激光对光学材料的破坏

3.2.1 光学材料的破坏机理

3.2.2 光学材料的激光破坏阈值

3.3 激光对光学玻璃的破坏

3.3.1 工作波段外激光对光学材料的破坏

3.3.2 工作波段内激光对光学材料的破坏

3.4 激光对半导体材料的破坏

3.5 本章小结

第四章激光对光学器件和光电器件的破坏研究

4.1 激光对光学薄膜的破坏研究

4.1.1 光学薄膜的性质及其种类

4.1.2 激光对光学薄膜的损伤机理

4.1.3 光学薄膜的驻波场和温度场

4.1.4 激光对类金刚石（DLC）薄膜破坏的理论和实验研究

4.1.5 激光对高反射薄膜的破坏理论研究

4.1.6 影响光学薄膜损伤阈值的研究

4.2 激光对光学透镜的破坏研究

4.2.1 激光对单透镜破坏的理论研究

4.2.2 激光对胶合透镜破坏的实验研究

4.3 激光对光电探测器的破坏

4.3.1 光电探测器破坏的模型

4.3.2 光电探测器损伤阈值的确定

4.3.3 激光对光电探测器破坏的实验研究

4.4 本章小结

第五章 Z 扫描技术及光限幅优化设计研究

5.1 Z 扫描技术

5.1.1 Z 扫描技术及其分类

5.1.2 闭孔Z 扫描理论

5.1.3 开孔Z 扫描理论

5.1.4 “厚”介质的Z 扫描理论

5.2 光限幅优化设计研究

5.2.1 介质厚度对光限幅效应的影响

5.2.2 介质位置对光限幅的影响

5.2.3 光阑对限幅效率的影响

5.2.4 透镜焦距对光限幅的影响

5.3 非线性吸收与非线性折射的相互作用

5.3.1 非线性折射对非线性吸收的影响

5.3.2 非线性吸收对非线性折射的影响

5.4 本章小结

第六章碳纳米管光限幅效应研究

6.1 碳纳米管的发现和发展

6.2 碳纳米管的结构和制备

6.2.1 碳纳米管的结构

6.2.2 碳纳米管的制备

6.3 碳纳米管的应用

6.4 碳纳米管在光限幅中的应用

6.5 可溶性碳纳米管的光限幅效应实验研究

6.5.1 实验材料

6.5.2 光限幅机理的探讨

6.5.3 可溶性碳纳米管光限幅特性的实验研究

6.6 碳纳米管在光限幅器中的应用形式

6.6.1 悬浮液的实现形式

6.6.2 膜的实现形式

6.6.3 溶液的实现形式

6.6.4 前景展望

6.7 本章小结

全文总结和工作展望

一、全文总结

二、工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

发布时间: 2007-07-10

参考文献

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[4].脉冲激光辐照透明光学材料作用机理及在加工中应用[D]. 潘云香.南京理工大学2017
[5].液相媒介中选择性激光辐照制备微纳材料的研究[D]. 喻惠武.华中科技大学2017
[6].目标强激光热效应及其逆问题应用研究[D]. 刘峰.西安电子科技大学2007
[7].亚音速气流条件下激光辐照合金钢效应研究[D]. 韦成华.国防科学技术大学2014
[8].聚合物激光辐照融化机理及微结构成型特征研究[D]. 谭文胜.江苏大学2015
[9].连续波激光对液体贮箱的辐照效应研究[D]. 焦路光.国防科学技术大学2013
[10].CO2激光辐照熔石英材料的热力学和动力学模拟[D]. 于景侠.电子科技大学2015

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