一种光学材料激光损伤过程中冲击波波速预测方法技术

本发明专利技术提供了一种光学材料激光损伤过程中冲击波波速预测方法，属于工程光学技术领域。为解决现有技术泵浦

【技术实现步骤摘要】
一种光学材料激光损伤过程中冲击波波速预测方法


[0001]本专利技术涉及工程光学
，具体而言，涉及一种光学材料激光损伤过程中冲击波波速预测方法。

技术介绍

[0002]高功率激光系统已广泛应用于太空卫星通讯、海陆空天四维国防激光武器、惯性约束核聚变装置及极紫外光刻等众多关系国计民生的重要领域。然而，长期以来光学材料的激光诱导损伤问题一直是高功率激光光学材料应用领域的瓶颈难题。大量研究表明，光学材料的激光损伤问题通常与光学材料加工表面的微纳缺陷(如凹坑、裂纹和划痕等)有关。激光诱导损伤物理机制十分复杂。目前，国内外普遍认为，光学材料加工表面微纳缺陷区的激光损伤过程大致可分为激光损伤初期和激光损伤后期两个阶段。在激光损伤初期，光学表面微纳缺陷区会沉积大量能量；而在激光损伤后期，光学表面微纳缺陷区会释放沉积的能量并发生明显的损伤行为。其中，在光学表面微纳缺陷区激光损伤后期过程中光学材料内部产生的高能、高速冲击波将对光学材料表面及亚表面损伤宏观特征的形成产生决定性的影响。
[0003]目前，国内外主要通过泵浦
‑
探测超快时间分辨阴影成像技术来探测不同时刻的冲击波行为图像以计算获得冲击波波速。已有报道表明，在高功率激光辐照条件下，光学材料内部的冲击波通常从近微纳缺陷区传播至材料内部的远微纳缺陷区。目前，国内外普遍认为，在光学材料内部冲击波形成初期(冲击波尚处于近微纳缺陷区)，冲击波的能量达到最高。因此，在冲击波形成初期，其对于材料表面尤其是亚表面激光损伤过程具有决定性的影响。目前，国内外普遍认为，冲击波波速是表征冲击波能量及其传播规律的最为有效的特征参数。故研究冲击波形成初期的冲击波波速具有非常重要的意义。但由于在冲击波形成初期，近微纳缺陷区常存在的大量高温等离子体团的高速运动(成像特点一般表现为高亮白光区)影响了冲击波成像，而且目前泵浦
‑
探测超快时间分辨阴影成像装置的空间分辨率有限(空间分辨率在数百纳米至数微米)，难以识别冲击波形成初期这一关键阶段的损伤动态行为特征。同时，对于某一光学表面微纳缺陷而言，需重复进行大量的损伤性超快时间分辨阴影成像实验才能获取损伤过程中的冲击波波速(只能有效获取远微纳缺陷区冲击波波速)。因此，对于某一特定光学表面微纳缺陷而言(特定光学表面微纳缺陷不可复制)，难以通过重复性、损伤性的超快时间分辨阴影成像实验来准确获取其激光损伤过程中产生的冲击波波速。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：
[0005]现有技术通过泵浦
‑
探测超快时间分辨阴影成像实验难以识别冲击波形成初期这一关键阶段的冲击波波速；且实验过程中需要重复进行大量损伤性试验，而针对特定光学材料表面微纳缺陷，难以通过重复性、损伤性的实验来准确获取其激光损伤过程中冲击波
波速。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种光学材料激光损伤过程中冲击波波速预测方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一、确定高功率激光辐照光学材料的激光参数；
[0009]步骤二、确定光学材料的研究区域的尺寸和形状参数；
[0010]步骤三、基于电子跃迁理论和原子轨道理论，建立高功率激光辐照条件下光学材料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型以模拟激光损伤初期微纳缺陷区能量沉积过程；
[0011]步骤四、基于电子
‑
声子双温模型理论，建立光学材料加工表面微纳缺陷区电子
‑
声子双温模型以模拟微纳缺陷区电子将沉积的激光能量通过声子传递给材料的过程；
[0012]步骤五、建立考虑电磁场、热场、流体场和固体力场多物理场的激光损伤理论模型，以模拟激光损伤后期高功率激光与材料加工表面微纳缺陷区的相互作用过程；
[0013]步骤六、通过求解电子非线性离化模型、电子
‑
声子双温模型和激光损伤理论模型获取不同时刻高功率激光辐照条件下光学材料加工表面微纳缺陷区产生的冲击波动态行为图像；
[0014]步骤七、根据得到的冲击波动态行为图像获取高功率激光辐照条件下光学材料加工表面缺陷区激光损伤过程中产生的冲击波波速的预测值。
[0015]进一步地，所述光学材料为熔融石英、KDP、ADP、K9玻璃或者BK7玻璃中的一种。
[0016]进一步地，所述步骤一根据光学材料表面的激光损伤阈值确定高功率激光参数，确保光学材料表面会发生激光损伤，所述激光参数包括激光脉宽、激光通量和波长。
[0017]进一步地，步骤三所述的高功率激光辐照条件下光学材料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型结构如公式(1)～(9)所示：
[0018][0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027]式中，n
cb
‑
导带上自由电子密度，n
d
‑
价带上基态电子密度，W
PI
‑
光致电离速率，W
AV
‑
Drude
‑
碰撞电离率，τ1‑
自由电子寿命(衰减时间)，σ
‑
电子碰撞截面面积，I
‑
光场强度，U
g
‑
禁带宽度，e
‑
电子所带电荷量，c
‑
光速，φ
‑
激光运行通量，T
p
‑
激光脉宽，ε0‑
真空介电常数，R0‑
折射率，m
e
‑
电子质量，τ
c
‑
电子碰撞时间，ω
‑
激光频率，且ω＝c/λ，
‑
普朗克常数，C(z)
‑
道森积分，γ
‑
克尔德什参数；
[0028]可将价带上基态电子密度n
d
初始值和步骤一确定的激光运行通量φ、激光脉宽T
p
、波长λ输入模型对模型进行求解，获取电子碰撞时间τ
c
。
[0029]进一步地，步骤三中光学材料基态电子密度n
d
初始值的获取方法为：根据光学材料加工表面微纳缺陷区基态电子密度n
d
与表面微纳区荧光强度近似成正比，对待测光学材料加工表面微纳缺陷区及基态电子密度n
d
初始值已知的标件开展连续激发弱荧光光致探测实验，根据待测光学材料加工表面微纳缺陷区与标件表面荧光强度之间的比值求得待测光学材料加工表面微纳缺陷区的n
d
的初始值。
[0030]进一步地，步骤四所述光学材料加工表面微纳缺陷区电子
‑
声子双温模型如公式(10)～(14)所示：
[0031][0032][0033]A(t)＝(1
‑
R)αI
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(12)
[0034][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学材料激光损伤过程中冲击波波速预测方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、确定高功率激光辐照光学材料的激光参数；步骤二、确定光学材料的研究区域的尺寸和形状参数；步骤三、基于电子跃迁理论和原子轨道理论，建立高功率激光辐照条件下光学材料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型以模拟激光损伤初期微纳缺陷区能量沉积过程；步骤四、基于电子
‑
声子双温模型理论，建立光学材料加工表面微纳缺陷区电子
‑
声子双温模型以模拟微纳缺陷区电子将沉积的激光能量通过声子传递给材料的过程；步骤五、建立考虑电磁场、热场、流体场和固体力场多物理场的激光损伤理论模型，以模拟激光损伤后期高功率激光与材料加工表面微纳缺陷区的相互作用过程；步骤六、通过求解电子非线性离化模型、电子
‑
声子双温模型和激光损伤理论模型获取不同时刻高功率激光辐照条件下光学材料加工表面微纳缺陷区产生的冲击波动态行为图像；步骤七、根据得到的冲击波动态行为图像获取高功率激光辐照条件下光学材料加工表面缺陷区激光损伤过程中产生的冲击波波速的预测值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述光学材料为熔融石英、KDP、ADP、K9玻璃或者BK7玻璃中的一种。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤一根据光学材料表面的激光损伤阈值确定高功率激光参数，确保光学材料表面会发生激光损伤，所述激光参数包括激光脉宽、激光通量和波长。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤三所述的高功率激光辐照条件下光学材料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型结构如公式(1)～(9)所示：料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型结构如公式(1)～(9)所示：料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型结构如公式(1)～(9)所示：料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型结构如公式(1)～(9)所示：料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型结构如公式(1)～(9)所示：料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型结构如公式(1)～(9)所示：料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型结构如公式(1)～(9)所示：料加工表面微纳缺陷区电子非线性离化模型结构如公式(1)～(9)所示：
式中，n
cb
‑
导带上自由电子密度，n
d
‑
价带上基态电子密度，W
PI
‑
光致电离速率，W
AV
‑
Drude
‑
碰撞电离率，τ1‑
自由电子寿命；σ
‑
电子碰撞截面面积，I
‑
光场强度，U
g
‑
禁带宽度，e
‑
电子所带电荷量，c
‑
光速，φ
‑
激光运行通量，T
p
‑
激光脉宽，ε0‑
真空介电常数，R0‑
折射率，m
e
‑
电子质量，τ
c
‑
电子碰撞时间，ω
‑
激光频率，且ω＝c/λ，
‑
普朗克常数，C(z)
‑
道森积分，γ
‑
克尔德什参数；可将价带上基态电子密度n
d
初始值和步骤一确定的激光运行通量φ、激光脉宽T
p
、波长λ输入模型对模型进行求解，获取电子碰撞时间τ
c
。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤三中光学材料基态电子密度n
d
初始值的获取方法为：根据光学材料加工表面微纳缺陷区基态电子密度n
d
与表面微纳区荧光强度近似成正比，对待测光学材料加工表面微纳缺陷区及基态电子密度n
d
初始值已知的标件开展连续激发弱荧光光致探测实验，根据待测光学材料加工表面微纳缺陷区与标件表面荧光强度之间的比值求得待测光学材料加工表面微纳缺陷区的n
d
的初始值。6.根据权利要求5所述的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：程健，杨丁槐，陈明君，赵林杰，刘赫男，王景贺，刘志超，王健，许乔，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：