纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法技术

本发明专利技术公开了纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法，该方法包括：建立杂散光吸收功能薄膜三维模型；设置激光光源并渐进加载；设置各材料温度依赖性参数及参数边界条件；对所述三维模型进行梯度网格划分；基于所述网格进行动力学热力耦合仿真模拟，直至达到设定的仿真时间，根据设置各的材料温度依赖性参数及参数边界条件得到功能薄膜损伤形貌及多物理场演化规律。利用本发明专利技术方案，可以有效揭示功能薄膜损伤机理并预测损伤斑形貌及多物理场演化规律。多物理场演化规律。多物理场演化规律。

Simulation method of damage of stray light absorbing film caused by nanosecond laser

【技术实现步骤摘要】
纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法


[0001]本专利技术涉及激光作用氧化物陶瓷功能膜领域，具体涉及一种纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法。

技术介绍

[0002]以氧化铝/氧化硅为主的功能薄膜可以大幅提升杂散光吸收率，有效避免杂散光作用低激光吸收率铝合金后在高能激光系统中多次反射形成难以计算的高阶鬼光。然而由于杂散光平均功率可达108W，会在极短的时间引发功能薄膜内热应力，导致材料发生迸溅，对高能激光系统产生不可逆污染。目前这一过程很难通过实验手段进行精确全面的动态捕捉，因此采用数值手段对杂散光作用过程所涉及的多物理场以及损伤演化进行精确解析的同时，探索作用效果对激光参数的响应关系是重要而富有挑战性的工作。目前的研究对激光作用致金属靶材内温度/材料分布和材料喷射率等进行了充分的讨论并对其进行估计，然而对于脆性材料而言，极短脉冲时间内温度骤然升高所产生的不可忽略的热应力未被考虑，因此结论会产生非常大的偏差。因此目前仿真方法并不适用于陶瓷氧化物功能薄膜材料，需要更有效而完备的仿真方法对激光作用过程进行模拟。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法，能够有效揭示功能薄膜损伤机理并预测损伤斑形貌及多物理场演化规律。
[0004]为此，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法，所述方法包括：
[0006]建立杂散光吸收功能薄膜三维模型；
[0007]设置激光光源并渐进加载；
[0008]设置各材料温度依赖性参数及参数边界条件；
[0009]对所述三维模型进行梯度网格划分；
[0010]基于所述网格进行动力学热力耦合仿真模拟，直至达到设定的仿真时间，根据设置各的材料温度依赖性参数及参数边界条件得到功能薄膜损伤形貌及多物理场演化规律。
[0011]可选地，所述三维仿真模型包括：上层保护层SiO2、中层光吸收层Al2O3、以及底层基体AA6061层。
[0012]可选地，所述方法还包括：
[0013]将所述中层吸收层Al2O3的纳米多孔结构及具有全波段光谱吸收能力的CdSe填充物进行简化，不对纳米级CdSe粒子进行建模，直接将氧化铝的激光吸收率折算为添加CdSe后，膜系的吸收率值。
[0014]可选地，所述设置激光光源并渐进加载包括：
[0015]利用高斯光源：
[0016][0017]其中，Q为激光功率密度分布函数，A为激光吸收率，P为激光功率，r为光斑半径
[0018]设置激光脉宽及激光功率；
[0019]在满足当前层单元损伤删除条件后，对当前层单元进行删除；
[0020]在下层单元表面上施加新的激光光源。
[0021]可选地，所述方法还包括：设置材料热
‑
力复合损伤判定准则(温度达到材料汽化值或应力状态参数达到材料损伤值)；
[0022]按照以下方式确定是否满足当前层单元损伤删除条件：
[0023]获取当前层单元的温度及应力状态；
[0024]确定所述当前层单元的温度及应力状态是否满足所述材料热
‑
力复合损伤判定准则；
[0025]如果是，则确定满足当前层单元损伤删除条件。
[0026]可选地，所述判定准则为：当前层单元的温度达到材料汽化值或应力状态参数达到材料损伤值。
[0027]可选地，所述各材料温度依赖性参数包括以下任意一种或多种：弹性模量、泊松比、柔性损伤参数、J
‑
C本构及损伤参数、JH
‑
2本构及损伤参数、双线性本构参数、热膨胀系数、热传导系数、比热容、非弹性热份额、潜热、熔沸点、吸收率；
[0028]所述边界条件包括以下任意一种或多种边界条件：初始温度、模型上表面热源边界、模型地面固定约束、模型侧壁热量出口、空气对流换热、表面热辐射。
[0029]可选地，所述对所述三维模型进行梯度网格划分包括：
[0030]对所述三维模型采用梯度过度网格方式划分，使径向内侧网格均匀密集为2μm，径向外侧稀疏为20μm，轴向网格为33nm。
[0031]可选地，所述基于所述网格进行动力学热力耦合仿真模拟包括：
[0032]模拟域热
‑
力复合作用所致材料去除损伤演化过程；
[0033]材料飞溅过程；
[0034]材料表面及内部应力应变、位移、温度、相态、速度、加速度的瞬态值及演化过程。
[0035]可选地，所述材料表面及内部应力应变、位移、温度、相态、速度、加速度的瞬态值及演化过程包括：
[0036]进行后处理数据提取及分析，包括极值随时间的演化过程、物理场分布规律、材料当前所处相态。
[0037]本专利技术实施例提供的纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法，通过建立三维激光作用功能薄膜热
‑
力耦合模型，引入热力参数的温度依赖性并引入渐进损伤机制，得到功能薄膜激光损伤形貌及多物理场演化规律。为提升高能激光系统清洁度，促进相关行业的发展提供重要参考，同时为终端光学系统结构、KDP(磷酸二氢钾)晶体框架风刀的设计提供上游指导。
附图说明
[0038]图1为本专利技术实施例纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法的流程
图；
[0039]图2为本专利技术实施例中杂散光吸收功能薄膜结构示意及微宏观表征图；
[0040]图3为本专利技术实施例中单元损伤判定流程图；
[0041]图4为本专利技术实施例中对梯度网格划分效果图；
[0042]图5为本专利技术实施例中不同激光功率密度下纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的示例图；
[0043]图6为本专利技术实施例中不同激光功率密度下纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜崩碎喷溅示例图；
[0044]图7为本专利技术实施例中不同激光功率密度下，纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤斑深/宽演化图。
具体实施方式
[0045]为使本专利技术的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施例做详细的说明。
[0046]如图1所示，本专利技术实施例纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法的流程图，包括以下步骤：
[0047]步骤101，建立杂散光吸收功能薄膜三维模型。
[0048]具体地，如图2所示的杂散光吸收功能薄膜结构示意及微宏观表征图，为被仿真对象，其基体为AA6061
‑
T6。
[0049]该杂散光吸收功能薄膜试件的制备方法如下：
[0050]首先，将基体进行机械抛光后将试件脱脂、碱蚀，以去除表面有机物及大气氧化层。由于Si、Cu等元素的存在，碱液对试件表面溶解不均，需以中和液浸泡至恢复金属光泽。
[0051]随后进行阳极化，槽液由质量分数大于10％的硫酸及少量纳米分散颗粒构成，而后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法，其特征在于，所述方法包括：建立杂散光吸收功能薄膜三维模型；设置激光光源并渐进加载；设置各材料温度依赖性参数及参数边界条件；对所述三维模型进行梯度网格划分；基于所述网格进行动力学热力耦合仿真模拟，直至达到设定的仿真时间，根据设置各的材料温度依赖性参数及参数边界条件得到功能薄膜损伤形貌及多物理场演化规律。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维仿真模型包括：上层保护层SiO2、中层光吸收层Al2O3、以及底层基体AA6061层。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将所述中层吸收层Al2O3的纳米多孔结构及具有全波段光谱吸收能力的CdSe填充物进行简化，不对纳米级CdSe粒子进行建模，直接将氧化铝的激光吸收率折算为添加CdSe后，膜系的吸收率值。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置激光光源并渐进加载包括：利用高斯光源：其中，Q为激光功率密度分布函数，A为激光吸收率，P为激光功率，r为光斑半径设置激光脉宽及激光功率；在满足当前层单元损伤删除条件后，对当前层单元进行删除；在下层单元表面上施加新的激光光源。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：设置材料热
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力复合损伤判定准则(温度达到材料汽化值或应力状态参数达到材料损伤值)；按照以下方式确定是否满足当前层单元损伤删除条件：获取当前层单元的温度及应力状态；确定所述当前层单元的温度及应力状态是否满足所述材料热
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【专利技术属性】
技术研发人员：曹永智，卢礼华，高敬翔，崔耀文，张鹏，郭锋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：