[发明专利]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

说明书

本发明提供一种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。

技术领域

本发明涉及工程光学技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

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。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

本发明提供了一种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：

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。

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：