光学薄膜特性在纳秒与毫秒脉宽激光损伤过程中的影响

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摘要光学薄膜是激光系统中的重要元件，同时也是最薄弱的环节。激光对光学薄膜的损伤决定了光学薄膜和激光系统的使用寿命。国内外众多科研工作者对激光致光学薄膜的损伤问题进行了大量的理论和实验研究。67122

本文基于温度场理论和有限元方法计算了ns和ms量级脉宽的激光对薄膜在不同光学特性时的温度场，完成了不同结构、不同厚度及不同材料参数（折射率、热传导率、比热及消光系数）薄膜元件激光损伤过程中温度场的有限元模拟，总结了损伤特性差异及相应规律，进而为长短脉冲激光的应用及对抗损伤薄膜元件的设计提供了参考。

毕业论文关键词光学薄膜激光损伤温度场薄膜特性

毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title The Effects of the Properties of Optical Film in Laser-induced Damage Process at Nanoseconds and Milliseconds Pulse Width

Abstract

Optical films are significant components but also weak parts of laser system. Operating life of optical films and laser system is determined by laser-induced damage to optical films. Many theoretical and experimental studies have been conducted by researchers over the world.

This article calculates the temperature field of optical films with different optical properties induced by the ns and ms pulse width laser , and the calculation was based on the temperature field theory and the finite element method. The temperature field’s finite element simulation of optical films with different structures，different thickness and different material parameters (such as refractive index, extinction coefficient, thermal conductivity and specific heat) during the laser-induced damage process was completed. The differences of damage characteristic and the corresponding rules are summarized. And then provide a reference for the design of short and long pulses film application and against damage to components of the laser.

Keywords optical film laser-induced damage temperature field properties of optical film

1 引言...1

1.1 研究背景 ...1

1.2 研究进展... 1

1.3 本文的主要研究工作... 3

2 激光与光学薄膜相互作用的理论描述 3

2.1 激光与光学薄膜相互作用的热效应 . 3

2.1.1 光学薄膜对激光的吸收过程.3

2.1.2 激光在薄膜中的热分布.5

2.2 激光与光学薄膜相互作用的场效应5

2.2.1 光学薄膜的驻波场.6

2.2.2 光学薄膜的温度场.7

2.3 薄膜特性对激光损伤的影响9

3 激光辐照薄膜元件的热效应分析模型.....10

3.1 膜-基系统的物理模型...10

3.2 温度场的有限元求解..12

4 激光损伤不同特性薄膜的温度场分析.13

4.1 不同厚度..13

4.2 不同折射率..14

4.3 不同比热..17

4.4 不同热传导率..19

4.5 不同消光系数..19

4.6 不同结构..20

4.6.1 增透膜的温度场分析...20

4.6.2 高反膜的温度场分析...24

4.6.3 不同结构薄膜的激光损伤差异小结...28

结论 .29

致谢 30

参考文献...31

1 引言

1.1 研究背景

自激光问世以来，光与物质的相互作用这一重要科学领域得到了新的开拓。在强激光作用下，光学元件可以在短时间内遭到破坏，光学元件的损伤将严重影响传输光束的品质。在高功率激光器及其应用系统中，光学薄膜是一个重要的组成部分，但是，光学薄膜的激光损伤阈值要比光学裸表面的低2—4倍，因而薄膜被激光破坏的问题直接限制了激光器输出功率的进一步提高[1]，特别是对高能量、高功率的激光器件，并一定程度上影响高功率激光薄膜元件使用寿命。光学薄膜也是导弹、遥感卫星等航天飞行器中导引、定位、遥感甚至能源系统中的重要组成元件，应用强激光武器对光学薄膜元件的破坏可以造成航天飞行器的致眩、致盲、失控，甚至于系统的整体失效。此外，在实验室中，光学薄膜的损伤问题也经常影响到科学研究的进一步发展。