基于有限元方法的激光薄膜热损伤研究

论文摘要

长期以来,激光对光学薄膜元件的破坏是限制激光向大功率、高能量方向发展的瓶颈,也是影响高功率激光薄膜元件使用寿命的主要原因。在激光诱导光学薄膜元件损伤的过程中,光学薄膜元件表面或者内部结构发生变化,表现出不同的损伤效应。其中由于激光辐照引起的温升以及热应力损伤是损伤的一个重要方面。本文采用有限元方法,分析了光学薄膜元件在激光辐照时,内部的温升及温度场,以及相应的应力场。运用ANASYS软件对激光辐照时光学薄膜元件的温升以及相应的应力场进行了模拟仿真。给出了薄膜温升与辐照时间的关系曲线,热应力的分布云图以及热应力随时间的变化曲线。选取K9玻璃和硅片作为基底,镀制类金刚石（diamond-like carbon, DLC）薄膜,进行了相关的实验。通过对DLC薄膜的抗激光损伤阈值的测试,以及其不同特征的损伤形貌进行分析,结合其镀制工艺、膜层厚度、基底材料等方面对模拟仿真的结果进行验证。研究表明：1)对于光学薄膜元件而言,激光诱导损伤主要由于其激光辐照引起的温升以及材料热膨胀造成的。主要表现为热熔融、断裂和剥离三种损伤方式,模拟表明,当薄膜温升超过薄膜材料熔点时,薄膜发生熔融损伤；当薄膜熔点较高时,热应力超过薄膜拉伸强度时,发生断裂损伤；薄膜和基底的附着力较小时,发生剥离损伤。2)光学薄膜元件的激光诱导损伤受激光特性、薄膜材料本身的热力学特性、薄膜厚度、薄膜内杂质等因素的影响。激光特性不同,薄膜的损伤特性也不一样；薄膜热传导率越大,发生损伤时的面积和深度可能越大；激光热量不能传递整个薄膜厚度时,基底的不同对薄膜损伤没有影响；薄膜内含有杂质时,杂质的损伤时损伤的主要诱因。3)对于DLC薄膜而言,激光诱导损伤主要为热应力诱导损伤。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 2 激光与材料相互作用理论
• 2.1 激光对光学薄膜的作用
• 2.1.1 激光对光学薄膜的加热
• 2.1.2 材料的熔融
• 2.1.3 等离子体的产生
• 2.2 激光薄膜损伤机制
• 2.2.1 激光的吸收引起的热应力损伤及相变
• 2.2.2 多光子电离
• 2.2.3 自聚焦效应
• 2.2.4 材料缺陷或杂质影响
• 2.3 光学薄膜的损伤定义及测试方法
• 2.4 激光参数对光学薄膜损伤阈值的影响
• 2.4.1 焦斑效应
• 2.4.2 激光脉宽
• 2.4.3 脉冲方式
• 2.5 本章小结
• 3 薄膜激光热损伤的有限元分析
• 3.1 热传递问题分析
• 3.1.1 不同坐标系下薄膜内部的热传导方程
• 3.1.2 热分析的类型
• 3.2 薄膜损伤问题分析
• 3.2.1 激光辐照光学薄膜时的温度场
• 3.2.2 激光辐照薄膜时的应力场
• 3.2.3 杂质诱导损伤
• 3.3 有限元方法及其在温度场分析中的应用
• 3.3.1 变分原理在求解方程中的应用
• 3.3.2 加权余量法
• 3.3.3 有限元法在温度场分析中的应用
• 3.3.4 有限元分析软件ANSYS及其特点
• 3.4 本章小结
• 4 激光对薄膜的热损伤及有限元仿真
• 4.1 理论模型的建立
• 4.1.1 建立有限元方程
• 4.1.2 区域的剖分
• 4.1.3 插值函数的确定
• 4.1.4 单元总体合成
• 4.2 薄膜激光损伤的模拟仿真
• 4.2.1 模拟所需的材料参数
• 4.2.2 有限元模型的建立
• 4.2.3 网格的划分
• 4.2.4 边界条件及载荷的加载
• 4.2.5 后处理
• 4.3 本章小结
• 5 实验验证与结果对比分析
• 5.1 类金刚石薄膜及其主要制备方法介绍
• 5.1.1 类金刚石薄膜结构及组成特点
• 5.1.2 类金刚石薄膜的制备方法
• 5.2 制备工艺
• 5.3 基底形貌以及膜厚测试
• 5.4 损伤阈值测试系统
• 5.5 损伤阈值测试
• 5.6 损伤部分典型形貌图及分析
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢