KDP晶体微纳表面小尺度波纹对其激光损伤阈值的影响

论文摘要

KDP晶体主要应用于惯性约束核聚变（ICF）光路系统中,作为普克尔斯盒和末端激光倍频的非线性材料。但是,由于KDP晶体激光损伤阈值较低,从而限制了超大功率固体激光器对核靶丸的驱动,现已成为ICF发展和应用的技术瓶颈。现阶段,对于KDP晶体的激光损伤机理研究重点主要集中在材料内部稳态和瞬态缺陷、杂质及内部发生的双光子电离等因素上,而有关已加工表面小尺度波纹的影响只在很少文献中提及,但未有深入的研究报导。实际上,小尺度波纹可能会对KDP晶体内部的电磁场能流密度分布及其损伤阈值有重要影响。因此,深入研究小尺度波纹对KDP晶体激光损伤阈值的影响机理及评价方法,不仅可以为提高其光学性能提供理论基础和参数依据,还可以有效地指导加工参数的合理选择及加工工艺的改进。本文采用基于严格电磁场理论的傅立叶模方法求解了小尺度波纹物理模型各分层区域的电磁场分布;理论分析了小尺度波纹特征参数对KDP晶体激光损伤阈值的影响机理及规律;结合基于傅立叶频谱分析的波前功率谱密度（PSD）方法,给出了实际加工表面（由具有不同特征空间频率的小尺度波纹成分构成）对KDP晶体激光损伤阈值影响的具体评价方法。采用单点金刚石飞刀铣削（SPDT）方法对KDP晶体进行了变参数加工实验,并分别采用原子力显微镜及白光干涉仪对已加工表面的三维形貌进行了检测;对表面数据进行了PSD分析,结合本文的评价方法获得了KDP晶体各加工参数区域的激光损伤阈值的理论计算结果;采用1-on-1方式对KDP晶体进行了损伤阈值的测试实验以及透过率测试实验,并将实验结果同理论计算结果进行了对比分析,验证了理论模型及评价方法的可行性。对已加工表面的评价结果进行了统计分析,并找到了KDP晶体已加工表面中引起损伤阈值降低的小尺度波纹成分所处空间频率的范围。利用统计结果可以有针对性的指导改进加工过程中的不足,以降低小尺度波纹对KDP晶体激光损伤阈值造成的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 KDP晶体在惯性约束核聚变中的应用
• 1.1.2 KDP晶体单点金刚石飞刀铣削加工技术
• 1.1.3 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课的题研究内容
• 第2章 KDP晶体表面小尺度波纹衍射模型建立
• 2.1 电磁场基本理论
• 2.1.1 麦克斯韦方程组的微分表示形式
• 2.1.2 边界条件
• 2.1.3 时谐麦克斯韦方程组
• 2.1.4 平面电磁波
• 2.1.5 电磁波的能流密度——坡印廷矢量
• 2.2 傅立叶模方法求解小尺度波纹衍射问题
• 2.2.1 小尺度波纹物理模型
• 2.2.2 入射光波的描述
• 2.2.3 电磁场的傅立叶展开
• 2.2.4 本征模式场的求解
• 2.2.5 RTCM递推算法求解本征模式场的振幅系数
• 2.3 衍射效率
• 2.4 理论及程序正确性的验证
• 2.5 本章小结
• 第3章 小尺度波纹对KDP晶体激光损伤阈值影响的理论分析
• 3.1 小尺度波纹对衍射效率的影响
• 3.2 小尺度波纹对光强调制特性的影响机理研究
• 3.2.1 小尺度波纹周期对光强的调制特性
• 3.2.2 小尺度波纹幅值对光强的调制特性
• 3.3 小尺度波纹对KDP晶体激光损伤阈值影响及评价方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 小尺度波纹对KDP晶体激光损伤阈值影响的实验研究
• 4.1 实验条件
• 4.1.1 KDP晶体SPDT加工实验
• 4.1.2 KDP晶体表面形貌检测实验
• 4.1.3 KDP晶体透过率测试实验
• 4.1.4 KDP晶体激光损伤阈值测试实验
• 4.2 实验结果分析与讨论
• 4.2.1 KDP晶体表面形貌功率谱密度分析
• 4.2.2 KDP晶体激光损伤阈值的评价
• 4.2.3 KDP晶体激光损伤阈值理论与实验结果对比
• 4.3 分区评价方法对KDP晶体加工过程的指导意义
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢