長脈沖強激光對光學(xué)材料熱損傷的研究.pdf

1、高能量激光對材料的熱損傷在激光切割、焊接、打孔和軍事等方面有著非常重要的應(yīng)用。利用激光熱源把材料局部熔化或汽化，冷卻融合稱為激光焊接；利用高速輔助氣流吹除熔融或汽化的材料，形成切口或孔徑稱為激光切割和激光打空。激光在火控系統(tǒng)中顯示出無與倫比的威力，高能量激光武器可以在毫秒量級的時間內(nèi)摧毀飛機、坦克，可使精確制導(dǎo)導(dǎo)彈的探測部位損壞而使武器失效。國內(nèi)外對短脈沖(ns，fs)或連續(xù)脈沖激光對材料(薄膜)破壞特性的研究報導(dǎo)較多，而毫秒(ms)量

2、級長脈沖破壞的報導(dǎo)較少。本文對長脈沖(脈寬lms)強激光對光學(xué)材料和金屬材料的熱損傷進行了詳細的研究，定量地描繪出了材料的空間溫度場分布并求出了材料在一定激光強度下的熔融閾值和汽化閾值。論文工作取得的主要成果包括： 一、總結(jié)了影響激光熱損傷形態(tài)和閾值的因素，對激光損傷機理作了分析。 二、給出了一維空間中激光熱損傷的簡化近似數(shù)學(xué)模型，并以此模型為基礎(chǔ)計算了金屬材料鋁、銀、銅的溫度場分布和熔融閾值與汽化閾值。 三、分

3、析了解析法求解熱傳導(dǎo)方程定解問題的局限性；研究了長脈沖激光熱損傷有限差分法數(shù)值計算，建立了具有普遍實用性的數(shù)學(xué)模型；一維空間和二維空間中數(shù)值計算分別采用Crank-Nieholson算法和交替方向隱式法(ADI)，運用LU分解保證了時間和空間上的二階精確和算法的穩(wěn)定性。 四、計算了光學(xué)材料硅、鍺和金屬材料鋁、銀、銅、鈦的空間溫度場分布，得出了一維空間中材料的熔融閾值和汽化閾值，分析了溫度場的分布和閾值與入射激光參數(shù)和材料參數(shù)(照

4、射時間、光束功率密度、熱吸收系數(shù)、熱傳導(dǎo)率等)的關(guān)系。 五、激光熱損傷有限差分?jǐn)?shù)值計算中的難點和關(guān)鍵點是兩相界面的移動問題，本論文采用斯蒂芬(Stefen)數(shù)學(xué)思想，給出了界面處的離散化方程，在編寫的程序中細致地選取了界面處的網(wǎng)格，得到了合理的結(jié)果。 本文對材料的熱損傷做了系統(tǒng)的研究，建立了普遍適用的數(shù)學(xué)模型，給出了一種簡單的解析模型，并應(yīng)用有限差分法對材料的熱損傷作了詳細的研究。所建立的數(shù)學(xué)模型具有普遍性，可用于金屬和