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长脉冲激光对一维光子晶体薄膜损伤机理的数值模拟

作　者: 嵇保建
导　师: 倪晓武；袁玲
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 一维光子晶体薄膜长脉冲有限元法驻波场温度场应力场
分类号: TN244
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 34次
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内容摘要

激光是一种亮度极高的强光源,目前在工业、医学和军事等方面得到广泛地应用。但是激光高强度的特性也会影响到激光器中元件和材料的安全,特别是其中的薄膜承受激光能力比较弱,因而加强激光对薄膜的破坏机理研究对激光技术及其应用具有重要意义。本文建立了长脉冲激光对一维光子晶体薄膜的热作用模型,利用有限元法数值模拟了长脉冲激光对该一维光子晶体薄膜的作用过程,计算了这种晶体膜在激光辐照过程中的瞬态温度场和应力场,并由应力场分析了激光对这种晶体薄膜的损伤机理。根据一维光子晶体的结构特征和作用激光波长等参数设计了一种由Si和SiO2交替组成的9层γ/4膜系的高反膜,根据薄膜的温度场和驻波场理论计算得到了膜层间的归一化场强,考虑到各膜层的场强函数不同和体生成热的加载方式,利用分段拟合各个膜层中的光强函数的方法对模型进行激光加载,得到长脉冲激光与一维光子晶体模型作用的瞬态温度场和应力场。结果表明：由于交替膜层的热导率不同,温度呈现一种阶梯式的下降,而这种温度梯度的周期变化引起了膜层上下应力的周期震荡,即上下膜层分别呈现出压应力和拉应力交替变化的现象,所以薄膜易在这种相互“拉扯”的作用力下出现剥落等破坏性结果。本论文的研究结果可以为激光对一维光子晶体薄膜的损伤机理研究提供参考,同时也可以对光电系统和层状薄膜材料的激光防护提供理论依据。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
1 绪论  7-14
  1.1 引言  7-9
  1.2 国内外研究现状  9-13
    1.2.1 激光对体材料损伤作用研究背景介绍  9-11
    1.2.2 激光对薄膜材料损伤作用的研究现状  11-13
  1.3 本文的主要研究工作  13-14
2 激光与物质相互作用的理论基础  14-22
  2.1 激光在物质中的传播和吸收  14-17
    2.1.1 激光的吸收  14-15
    2.1.2 折射率和吸收系数  15-17
  2.2 半导体材料对光的吸收  17-20
    2.2.1 本征吸收  17-19
    2.2.2 其他吸收过程  19-20
  2.3 激光对薄膜材料的损伤机理  20-21
    2.3.1 本征吸收和热损伤  20
    2.3.2 光学材料的其他损伤机理  20-21
  2.4 本章总结  21-22
3 薄膜的驻波场理论及有限元法理论  22-33
  3.1 薄膜元件的温度场和驻波场  22-28
    3.1.1 热传导方程  22-24
    3.1.2 激光辐照薄膜引起的温度场  24-25
    3.1.3 薄膜材料的驻波场  25-28
  3.2 激光辐照材料产生热应力计算  28-31
  3.3 激光与一维光子晶体相互作用的有限元理论  31-32
    3.3.1 建立模型和结构离散化  31-32
    3.3.2 激光的加载和运算  32
  3.4. 本章总结  32-33
4 长脉冲激光对一维光子晶体的损伤机理研究  33-56
  4.1 激光作用的热传导理论  33-34
  4.2 长脉冲激光对一维光子晶体的热作用数值模拟  34-54
    4.2.1 激光和材料参数  35
    4.2.2 数值计算结果与分析  35-50
    4.2.3 实用一维光子晶体模型的模拟分析  50-54
  4.3 本章总结  54-56
5 总结与展望  56-58
  5.1 本文总结  56
  5.2 研究展望  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-62

长脉冲激光对一维光子晶体薄膜损伤机理的数值模拟

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