一种KDP晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤动态行为模拟方法技术

本发明专利技术提供一种KDP晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤动态行为模拟方法，属于工程光学技术领域。为解决现有KDP晶体损伤模型并未考虑激光辐照下产生的多物理场对晶体作用，只能得到损伤终态形貌图，无法揭示表面缺陷与损伤之间关联问题。利用光强描述强激光在KDP晶体内聚集的能量，引入光增强因子，建立有限元模型并进行求解，再建立能量沉积方程，采用JH模型描述KDP晶体的损伤断裂行为，选择最大拉应力作为KDP晶体的失效准则，进而建立多物理场激光损伤动力学模型。考虑多物理场在强激光辐照下对晶体的作用，可建立一个真实复现强激光辐照下晶体表面缺陷向损伤演化的动力学模型，填补了KDP晶体激光损伤动态行为模拟的技术空白。白。白。

【技术实现步骤摘要】
一种KDP晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤动态行为模拟方法


[0001]本专利技术涉及工程光学
，具体而言，涉及一种KDP晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤动态行为模拟方法。

技术介绍

[0002]磷酸二氢钾(KH2PO4，KDP)作为一种非线性性能好，本征抗激光损伤阈值高，且光学透过性好的功能晶体材料，被应用在ICF大型激光驱动装置中的光电开关(等离子体电极普克尔斯盒)以及倍频元件。但KDP晶体由于其软、脆以及易潮解的材料特性，在飞切等超精密加工过程中，极易在其表面引入大量的加工缺陷。晶体表面由于这些加工而引入的缺陷在强激光辐照下会产生损伤，显著降低元件的使用寿命，影响其光学性能，并且极大地降低激光装置能量的输出。光学元件的激光损伤一直是国际上的研究热点。
[0003]目前，晶体加工表面缺陷与激光损伤之前存在联系已经是现阶段光学元件超精密加工等相关领域共识，但在强激光辐照下，表面缺陷诱导激光损伤的内在物理机制仍不明确。在此背景下，研究晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤动态扩展行为对于揭示晶体的表面损伤机制存在重要意义。
[0004]目前国内外普遍认为在纳秒强激光与KDP晶体电介质材料相互作用过程中，激光能量会在极短的时间内沉积到材料中，诱导材料发生物理改性。在后续强激光的辐照下，由于材料内部的能量局域性沉积而具有高温高压特性的能量沉积点区域会产生微爆炸行为，导致材料内部产生激光诱导的损伤断裂现象。当前的损伤模型并未考虑激光辐照下产生的多物理场对晶体的作用，且只能得到损伤终态形貌图，并不能揭示表面缺陷与损伤之间的关联关系。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：
[0006]为了解决现有的KDP损伤模型并未考虑激光辐照下产生的多物理场对晶体的作用，且只能得到损伤终态形貌图，并不能揭示表面缺陷与损伤之间关联的问题。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种KDP晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤的动态行为模拟方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、考虑电磁场下的加工表面缺陷导致的近场光学调制效应，通过光强描述强激光在晶体内部传输时聚集的能量；
[0010]步骤二、引入光增强因子描述加工表面缺陷对晶体内部光场增强的程度，建立基于电磁场理论的有限元模型并进行求解；
[0011]步骤三、基于能量吸收特性，建立能量沉积方程，求解在激光辐照下，材料内部受缺陷影响而沉积的能量；
[0012]步骤四、采用JH模型来描述具有软脆特性的KDP晶体的损伤断裂行为，选择最大拉应力作为KDP晶体的失效准则；
[0013]步骤五、结合步骤三和步骤四，输入基于能量沉积方程求解得到的能量，建立耦合了电磁场、温度场和应力场的多物理场激光损伤动力学模型。
[0014]进一步地，在步骤一中，基于激光在透明光学材料内部的辐射和传播可以被视为平面电磁波的作用这一特点，结合有限元方法对控制电磁波传播特性的麦克斯韦方程进行了数值求解，获得光强：
[0015][0016]其中，S为坡印廷矢量，表示单位时间内垂直于光波传播方向单位面积上通过的能量；τ为激光的传播时间；E为电场强度；ε0为真空介电常数；ε
r
为KDP晶体的相对介电常数；μ0为真空磁导率；μ
r
为KDP晶体的相对磁导率；其中的ε0、ε
r
和μ0、μ
r
分别代表晶体的介电常数和磁导率。
[0017]进一步地，在步骤二中，建立求解光增强因子LIEF的有限元模型，将散射边界条件设定为平面电磁波入射方向的边界条件，将理想磁导体设定为平行于激光入射方向两边的边界条件，用于实现其无限传播，光增强因子LIEF的定义式为，
[0018]LIEF＝I/I
i
[0019]其中，I为受表面缺陷影响的晶体内部光强；I
i
为理想状态下的晶体内部光强。
[0020]进一步地，在步骤三中，材料内部受缺陷影响而沉积的能量E
input
为，
[0021]E
input
＝Q
abs
·
πa2·
I
abs
[0022]其中，Q
abs
为吸收效率，a为沉积点半径，I
abs
为受缺陷调制影响下触发激光损伤时实际吸收的激光能量密度。
[0023]进一步地，触发损伤时缺陷调制下实际吸收的激光能量密度为，
[0024]I
abs
＝F
th
·
LIEF
max
[0025]其中，F
th
为具有加工表面缺陷的KDP晶体在激光辐照下损伤发起时的激光能量密度；LIEF
max
为强激光在晶体内部传输时受缺陷近场光学调制效应影响而产生的最大光场增强因子。
[0026]进一步地，根据能量沉积方程计算得到的吸收效率Q
abs
为0.12。
[0027]进一步地，在步骤四中，KDP晶体的失效准则定义为，
[0028][0029]其中，σ
*
为归一化等效应力，有σ
*
＝σ/σ
HEL
，且σ为等效应力，σ
HEL
为Hugoniot弹性极限处的等效应力；σ
i*
为归一化等效完整应力，有σ
i*
＝σ
i
/σ
HEL
，σ
i
为等效完整应力；σ
f*
为归一化等效损伤应力，有σ
f*
＝σ
f
/σ
HEL
，其中σ
f
为等效损伤应力；D表示失效准则中的损伤系数；P
*
和T
*
分别为归一化静水压力和归一化静水拉力，有P
*
＝P/P
HEL
和T
*
＝T/P
HEL
；其中，P为静水压力，T为静水拉力，P
HEL
为Hugoniot弹性极限处的静水压力；为归一化应变率，可以由
求得；为材料应变率；A，B，C，M和N均为求解过程中引入的材料常数参量。
[0030]进一步地，在步骤五中，多物理场激光损伤动力学模型为，
[0031][0032]进一步地，在步骤五中设置受加工表面缺陷影响的最大光增强因子调制点，该点在后续激光辐照下会不断吸收能量演化为高温高压区域，即T＝10000K，F＝21GPa，进而导致材料发生破坏。
[0033]进一步地，在步骤五中采用不受网格变形约束的光滑粒子流体动力学方法来模拟加工表面缺陷诱导激光损伤过程中的KDP晶体的损伤动态演化行为。
[0034]相较于现有技术，本专利技术的有益效果是：
[0035]本专利技术一种KDP晶体加工表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种KDP晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤的动态行为模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、考虑电磁场下的加工表面缺陷导致的近场光学调制效应，通过光强描述强激光在晶体内部传输时聚集的能量；步骤二、引入光增强因子描述加工表面缺陷对晶体内部光场增强的程度，建立基于电磁场理论的有限元模型并进行求解；步骤三、基于能量吸收特性，建立能量沉积方程，求解在激光辐照下，材料内部受缺陷影响而沉积的能量；步骤四、采用JH模型来描述具有软脆特性的KDP晶体的损伤断裂行为，选择最大拉应力作为KDP晶体的失效准则；步骤五、结合步骤三和步骤四，输入基于能量沉积方程求解得到的能量，建立耦合了电磁场、温度场和应力场的多物理场激光损伤动力学模型。2.根据权利要求1所述的一种KDP晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤的动态行为模拟方法，其特征在于：在步骤一中，基于激光在透明光学材料内部的辐射和传播可以被视为平面电磁波的作用这一特点，结合有限元方法对控制电磁波传播特性的麦克斯韦方程进行了数值求解，获得光强：其中，S为坡印廷矢量，表示单位时间内垂直于光波传播方向单位面积上通过的能量；τ为激光的传播时间；E为电场强度；ε0为真空介电常数；ε
r
为KDP晶体的相对介电常数；μ0为真空磁导率；μ
r
为KDP晶体的相对磁导率；其中的ε0、ε
r
和μ0、μ
r
分别代表晶体的介电常数和磁导率。3.根据权利要求2所述的一种KDP晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤的动态行为模拟方法，其特征在于：在步骤二中，建立求解光增强因子LIEF的有限元模型，将散射边界条件设定为平面电磁波入射方向的边界条件，将理想磁导体设定为平行于激光入射方向两边的边界条件，用于实现其无限传播，光增强因子LIEF的定义式为，LIEF＝I/I
i
其中，I为受表面缺陷影响的晶体内部光强；I
i
为理想状态下的晶体内部光强。4.根据权利要求3所述的一种KDP晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤的动态行为模拟方法，其特征在于：在步骤三中，材料内部受缺陷影响而沉积的能量E
input
为，E
input
＝Q
abs
·
πa2·
I
abs
其中，Q
abs
为吸收效率，a为沉积点半径，I
abs
为受缺陷调制影响下触发激光损伤时实际吸收的激光能量密度。5.根据权利要求4所述的一种KDP晶体加工表面缺陷诱导的激光损伤的动态行为模拟方法，其特征在于：触发损伤时缺陷调制下实际吸收的激光能量密度为，I
abs
＝F
th<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明君，丁雯钰，程健，赵林杰，刘志超，汪圣飞，许乔，胡健睿，陈广，雷鸿钦，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：