微纳结构及污染物对Al2O3表面激光损伤的影响研究

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1、硕士学位论文微纳结构及污染物对Al2O3表面激光损伤的影响研究STUDYONTHEINFLUENCEOFMICRONANOSTRUCTURESANDPOLLUTANTSONAl2O3SURFACE’SLASERDAMAGE秦建波哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文微纳结构及污染物对Al2O3表面激光损伤的影响研究硕士研究生：秦建波导师：陈家轩副教授申请学位：工学硕士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨

2、工业大学ClassifiedIndex:TP242.3U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTHEINFLUENCEOFMICRONANOSTRUCTUREANDPOLLUTANTSONLASERDAMAGEONAl2O3SURFACE’SLASERDAMAGECandidate：QinJianboSupervisor：Asso.Prof.ChenJiaxuanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciali

3、ty：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要如何提高光学元件表面抗激光损伤能力是目前发展ICF（InertialConfinementFusion）技术的“瓶颈”问题。作为在高功率多程放大系统中广泛使用的氧化铝材料，其表面加工残留微纳

4、结构和表层污染物是降低其抗激光损伤能力的主要原因，在高能杂散光汇聚点（鬼点）作用下将发生激光损伤，其损伤颗粒不仅严重污染光学元件表面，也将诱导发生二次损伤，降低系统的负载能力和通光质量，严重减少元件寿命，制约着ICF的发展。因此，提高氧化铝材料的激光损伤阈值尤其重要，研究表面微纳结构和表层污染物对氧化铝的抗激光损伤能力的影响有着十分重要的意义。本文系统的分析了表面微纳结构和加工表层固体污染物颗粒对Al2O3表面抗激光损伤能力的影响，探讨了激光辐照下温度和应力的分布情况；针对有机类污染降低Al2O3表面的抗激光损伤能力的问题，研究了C12在不同

5、形貌的Al2O3表面的吸附脱附行为和机理，为表面残留污染物的去除提供一定指导；在实验上对激光作用于微纳结构的仿真进行了验证，并分析了不同表面形貌在激光作用下的损伤情况。主要工作如下：1．分析加工表面缺陷结构类型，归纳提取典型的Al2O3表面微纳结构类型，建立了激光与物质相互作用的计算模型，对脉冲激光辐照理想平面、矩形槽结构和锯齿槽结构进行了仿真，模拟高能杂散光汇聚点对表面微纳结构的作用。从温度和应力在微纳结构区域和基底的分布入手，分析激光损伤情况，探究了不同激光能量、不同表面结构对温度和应力分布的影响；2．探讨高功率多程激光放大系统中污染物的

6、来源和分类，针对Al2O3表层所含固体颗粒杂质污染物（Al、Fe、Cu、Cr和CeO2等）在激光辐照作用下引起损伤的问题，建立了有限元微观仿真模型，从温度和应力角度出发研究了不同杂质类型、杂质半径和杂质深度对Al2O3基底的影响，发现不同类型杂质对基底损伤程度不同，且存在一个临界尺寸值使损伤达到最大；3．针对Al2O3表面的有机污染物诱导表面激光损伤的问题，选取高功率放大系统中主要的有机污染物十二烷油分子进行分析，采用分子动力学（MD）研究油分子在不同表面结构上的吸附脱附机理和规律，模拟了油分子的吸附和在水介质下脱附的过程，探究了不同结构类型

7、、参数的表面对吸附和脱附的影响，为有机污染物的去除提供一定的指导，并对有机污染物对激光损伤的影响进行了分析；4．采用激光打靶实验以研究不同表面形貌下氧化铝的损伤情况。建立了锯齿形沟槽，观察了打靶前后形貌的变化，对激光作用的仿真进行了验证。对抛光前-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文后、不同粗糙度的表面进行了打靶实验，从损伤颗粒数目入手研究了表面损伤规律，综合分析表面形貌对Al2O3材料的抗激光损伤能力的影响。本文采用有限元法从表面微纳结构和表面污染物入手分析氧化铝材料的抗激光损伤能力，并结合实验对损伤进行研究，采用分子动力学法分析有机污染物的

8、吸附与脱附机理，为氧化铝表面污染物的去除，提高抗激光损伤能力提供借鉴。关键词：Al2O3；表面微纳结构；污染物；抗激光损伤能力；有机物吸附脱附-II-哈尔滨工业大学