激光辐照下杂质诱导光学玻璃损伤的两种机理

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1、第17卷第7期强激光与粒子束Vol.17，No.72005年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.，2005文章编号：1001-4322（2005）07-0961-05*激光辐照下杂质诱导光学玻璃损伤的两种机理1，21胡鹏，陈发良（1.北京应用物理与计算数学研究所，北京100088；2.中国工程物理研究院研究生部，北京100088）摘要：基于空间球对称热弹性理论，从热传导、热应力方程出发，计算了含强吸收杂质Pt的石英和K9玻璃在激光脉冲辐照下的温升场和应力分布，同时考虑杂质强吸收汽化相变行为，发现含强吸收

2、杂质的光学玻璃的激光损伤，主要是由于温度梯度引起的热应力和杂质汽化蒸汽压的作用的结果。由于不同的热物理和力学性质，当杂质没有汽化时，石英玻璃中的热应力不会达到断裂强度，杂质汽化产生的压力是石英玻璃破坏的主要原因；对K9玻璃，即使杂质没有达到汽化温度，K9玻璃中的温度梯度产生的热应力也会超过其抗压强度而导致破裂，杂质汽化后的蒸汽压增大了破坏的程度。此外，分析了杂质颗粒大小对材料激光损伤阈值的影响，发现存在一个最有害的颗粒尺寸，含该颗粒尺寸杂质的材料激光损伤阈值最低。关键词：激光脉冲；光学玻璃；损伤机理；杂质中图分类号：TN246文献标识码：

3、A光学玻璃作为光学元器件的基本材料，被广泛应用于各种光学器件，如光学窗口、反射镜以及各种膜的基底。光学材料在加工制备过程中，不可避免的带有杂质，如光学玻璃往往含有制备容器材料金属Pt杂质。这［1］些杂质对激光的吸收比材料的本征吸收高出几个数量级，受激光辐照时杂质对激光的强吸收成为光学材料［2］激光破坏的主要原因。Hopper和Uhlmann用半定量的方法研究了光学玻璃的杂质损伤机理，涉及杂质的吸［3，4］收截面、尺寸、形状、热扩散系数等参数；Bonneau等对杂质诱导的熔坑的形成和基体材料的炸裂过程进行［5］了实验观察和数值模拟。上海光机

4、所做了不少实验，观察到光学材料的激光损伤形貌往往是杂质处局部熔坑或炸裂。杂质诱导光学材料的损伤机理，近年来受到人们的广泛关注。这是因为：一方面，杂质的存在，极大地降低了光学材料的激光损伤阈值；另一方面，随着激光技术的发展和激光功率水平的提高，对光学元件抗激光破坏能力的要求也越来越高。文献［1～8］报道了这方面的研究工作。本文从空间球对称热弹性理论出发，以最大应力为损伤判据，建立了热炸裂损伤的简明物理模型，发现含强吸收杂质的光学玻璃激光损伤的主要原因是温度梯度引起的热应力或杂质汽化蒸汽压的作用。以此分析了激光辐照下Pt杂质诱导的石英和K9两

5、种玻璃的损伤机理，还仔细讨论了杂质尺寸对两种材料激光损伤阈值的影响。1理论模型激光辐照在含有杂质的光学元件上，由于光学元件的吸收很小，引起的温度变化不大，但由于杂质对激光能量的强烈吸收，造成杂质处局部高温，形成的温度梯度将在材料中产生热应力。如果杂质温度达到沸点，它汽化变成蒸汽而对周围基体材料产生很大的蒸汽压，引起材料体内附加应力分布。当基体中的应力超过材料的抗拉或抗压强度，就会使材料拉裂或压碎。考虑一个球形杂质处于基体材料中。由于杂质颗粒半径一般为几十至一百多nm，而基体尺度至少是mm级，离杂质较远处基本不受杂质的影响，因此，可以看作杂

6、质是处于无限大的基体材料中。主要考虑杂质的吸收而忽略基体的吸收，在球坐标下我们得到温度场方程∂T1∂2∂Tpici=ki2(r)+q，r

7、ail：flchen@iapcm.an.cn。962强激光与粒子束第17卷∂T=ks1∂r2∂T,r>a(2)ρscs2()∂tr∂r∂rTi=Ts=0,t=0(3)∂Ti∂TsTi=Ts,ki=ks,r=a(4)∂r∂r式中:,c(在相变点,把相变潜热叠加在c上),k分别代表密度,质量热容,热传导系数;下标i代表杂质;s代表ρ基体材料;a是杂质颗粒的半径;q是单位体积杂质吸收的功率。由文献[2]有3ηIq=(5)4a式中:是杂质的吸收系数;I为均匀辐照激光功率。η在一确定时刻t,由于热传导产生的非均匀温度场T(r,t)将引起基体内的热应

8、力。作为球对称热应力问[9]题,热弹性本构方程,无论是对θ,还是对Ф都是相同的σrr-2νσθθεrr=(6)E+αTσθθ-ν(σrr+σθθ)εθθ=(7)E+αT平衡方程为dσrr2+(