激光脉冲空间分布对玻璃破坏的研究

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1、摘要纳秒激光脉冲空间分布对玻璃破坏的影响和机理，是激光与物质相互作用的一个研究方向。在纳秒激光脉冲与玻璃相互作用时，热应力破坏影响很大。目前，国内外针对激光空间分布的研究较少，对其破坏机理的解释也各有不同。本论文采用有限元分析软件，计算了基模和基模外加不同宽度十字阻挡物的纳秒激光脉冲与玻璃作用所达到的温度和产生的热应力，并进行了实验验证。本课题主要进行了以下研究工作：(1)模拟计算了基模脉冲照射玻璃后的温度应力分布以及基模外加不同宽度的十字照射玻璃后的温度应力分布。通过分析各模型中温度应力极值点处的受力状态，计算其等效应力。计算得到：基模激光脉冲照射后产生的等效应力最大，达675

2、MPa；外加十字后的激光脉冲照射后产生的等效应力随着十字宽度的增加而减小，当十字宽度为光斑直径的1/25时，最大等效应力比基模情况下小10%。(2)进行了激光空间分布对于玻璃破坏影响的实验，得到当外加十字宽度为光斑直径的1/30，脉冲峰值功率比基模脉冲峰值功率高10%时，破坏效果与基模脉冲相同，这与理论模拟结果相一致。玻璃材料破坏区域的大小随着峰值功率的增大而增大，这证明了应力破坏是激光脉冲破坏玻璃的重要原因之一。(3)采用光学显微镜观察破坏点形态，推测了玻璃的破坏过程，即：中心处极高的压应力导致剪切破坏，产生大量裂纹，形成了中心暗斑；由于裂纹扩展，以中心暗斑为球心，向空间发散出

3、多条丝状裂纹；同时，由于中心处高温产生了气化及等离子体，加上暗斑处和裂纹处的收缩，使得暗斑上面产生了环状的裂纹，在显微镜下观察即为环形的暗纹。同时，展望了高阶模式以及混合模式下光斑空间分布对玻璃的破坏。本课题对破坏机理的研究及实际的工程应用有重要的指导意义。关键词：纳秒激光脉冲空间分布裂纹扩展等效应力IAbstractThedamagemechanismofspatialdistributionofnanosecondlaserpulseseffectingontransparentmaterialisanimportantresearchdirectionofinteracti

4、onbetweenlaserandmaterial.Thermalstresshasagreatinfluencewhenthenanosecondlaserpulseinteractionwithtransparentmaterials.Atpresent,differentspatialdistributionoflaser-beamisnotextensivelyresearchedathomeandabroad.Theinterpretationofthedamagemechanismisalsodifferent.Inthisthesis,finiteelementan

5、alysissoftwarewasusedtocalculateandcomparethetemperatureandthermalstresswhichweregeneratedbylaserpulseoffundamentalmodeandfundamentalmodewithcrossblockinteractionwithtransparentmaterial,andexperimentwasdonetotestandverifythetheoreticalcalculation.Themainworkcarriedoutasfollows:(1)Thetemperatu

6、reandthermalstressofglassafterdifferentpulsesirradiationweresimulatedandcalculated.Byanalyzingthestressstateofallthedangerpoints,theequivalentstresscanbecalculated.Theequivalentstressoffundamentalmodelaserbeaminteractionwithglasswasthebiggest.Anditis675MPa.Withtheincreaseofthecrosswidth,theeq

7、uivalentstressdrops.Whenthecrosswidthis4percentofthespotdiameter,theequivalentstressis10percentlessthanfundamentalmode.(2)Experimentswereperformedtoverifythesimulation.Theresultofexperimentswascoincidedwiththetheoreticalcalculation.Inordertoa