一种激光辐照下镀膜光学元件的缺陷演化预测方法和系统

本发明涉及电数字数据领域，具体涉及演化预测方法领域。

背景技术：

1、镀膜光学元件被广泛应用于高功率激光系统、惯性约束聚变装置、空间光学系统和精密激光加工系统。该类元件通常由透明光学基底及其表面的多层介质膜组成。多层介质膜能够实现增透、反射、偏振控制或多波段透过等功能，但在强激光辐照下，膜层材料和基底材料之间存在光学吸收、热扩散、热膨胀和相变特性的显著差异。当局部温升达到膜层熔融温度或汽化温度时，可能引起膜层软化、熔融、汽化、剥离、贯穿以及基底浅表熔融，最终形成烧蚀坑、火山口状缺陷形貌或膜层脱落区域。

2、现有技术中多侧重于单一材料的温度场计算，通常采用固定高斯热源或简单表面热通量边界来描述激光输入。对于镀膜光学元件而言，该类方法存在如下不足：

3、第一，多层膜与基底由不同材料组成，其吸收系数、导热系数、热容、熔融温度、汽化温度及潜热差异明显，若采用单一材料参数，难以描述不同膜层的差异化热响应；

4、第二，传统温度场模型仅能判断材料是否达到熔融或汽化温度，不能直接预测膜层被去除、界面退缩或剩余膜厚变化；

5、第三，饱和蒸气压和汽化质量通量通常呈指数增长，在数值求解中容易出现局部尖峰，导致计算发散或非物理压力突变；

6、第四，普通热传导模型难以同时预测膜层熔融、膜层汽化去除、基底熔融深度和烧蚀坑形貌演化。

7、综上所述，现有激光辐照下镀膜光学元件的缺陷演化预测技术存在难以描述不同膜层的差异化热响应，不能直接预测膜层被去除、界面退缩或剩余膜厚变化，饱和蒸气压突变导致求解中容易出现局部尖峰，难以同时预测不同种类的缺陷演化的问题。

技术实现思路

1、本发明缓解了现有激光辐照下镀膜光学元件的缺陷演化预测技术存在难以描述不同膜层的差异化热响应，不能直接预测膜层被去除、界面退缩或剩余膜厚变化，饱和蒸气压突变导致求解中容易出现局部尖峰，难以同时预测不同种类的缺陷演化的问题。

2、本发明提供如下方案：

3、方案一、一种激光辐照下镀膜光学元件的缺陷演化预测方法，所述镀膜光学元件包括若干个材料区域，所述若干个材料区域包括若干个膜层和基底；所述方法包括以下阶段：

4、数据采集阶段，获取待预测镀膜光学元件的结构参数、材料参数以及激光的激光辐照参数；所述材料参数包括每个膜层的材料参数和所述基底的材料参数；

5、热源构建阶段，基于所述材料参数、所述结构参数和所述激光辐照参数，对所述待预测镀膜光学元件通过高斯激光体热源方法，获得热源；

6、物理场耦合阶段，基于所述材料参数和所述热源，获得传热方程；

7、基于所述材料参数和所述激光辐照参数，获得水平集界面退缩源项；基于所述水平集界面退缩源项，获得水平集界面演化方程；

8、对所述传热方程、所述水平集界面演化方程和流动方程进行耦合，获得多物理场耦合方程；

9、求解和输出阶段，通过对所述多物理场耦合方程进行求解，获得缺陷演化预测结果。

10、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述热源构建阶段中，所述高斯激光体热源方法的公式为：

11、，

12、其中，为热源，为激光体吸收热源，为汽化潜热损失项。

13、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述汽化潜热损失项的公式为：

14、

15、其中，为汽化质量通量，为汽化潜热，为界面等效狄拉克函数。

16、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述物理场耦合阶段中，所述传热方程为：

17、，

18、其中，为密度，为恒压热容，为温度，为时间，为导热系数，为温度梯度矢量，为散度算子。

19、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述物理场耦合阶段中，所述水平集界面退缩源项的公式为：

20、，

21、其中，为所述水平集界面退缩源项，为当前材料区域的液态密度，为体积蒸发源。

22、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述体积蒸发源的公式为

23、；

24、其中，为汽化质量通量，为界面等效狄拉克函数。

25、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述缺陷演化预测结果包括温度场、膜层熔融区域、膜层去除深度、膜层贯穿状态、剩余膜厚、温度场、基底熔融深度、烧蚀坑深度和烧蚀坑宽度。

26、方案二、一种激光辐照下镀膜光学元件的缺陷演化预测系统，所述镀膜光学元件包括若干个材料区域，所述若干个材料区域包括若干个膜层和基底；所述系统包括以下模块：

27、数据采集模块，获取待预测镀膜光学元件的结构参数、材料参数以及激光的激光辐照参数；所述材料参数包括每个膜层的材料参数和所述基底的材料参数；

28、热源构建模块，基于所述材料参数、所述结构参数和所述激光辐照参数，对所述待预测镀膜光学元件通过高斯激光体热源方法，获得热源；

29、物理场耦合模块，基于所述材料参数和所述热源，获得传热方程；

30、基于所述材料参数和所述激光辐照参数，获得水平集界面退缩源项；基于所述水平集界面退缩源项，获得水平集界面演化方程；

31、对所述传热方程、所述水平集界面演化方程和流动方程进行耦合，获得多物理场耦合方程；

32、求解和输出模块，通过对所述多物理场耦合方程进行求解，获得缺陷演化预测结果。

33、方案三、一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口和存储器通过通信总线完成相互间的通信；

34、存储器，用于存放计算机程序；

35、处理器，用于执行存储器上所存放的计算机程序时，实现方案一所述方法。

36、方案四、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述方法。

37、本发明所述的一种激光辐照下镀膜光学元件的缺陷演化预测方法和系统，有效缓解了现有激光辐照下镀膜光学元件的缺陷演化预测技术存在难以描述不同膜层的差异化热响应，不能直接预测膜层被去除、界面退缩或剩余膜厚变化，饱和蒸气压突变导致求解中容易出现局部尖峰，难以同时预测不同种类的缺陷演化的问题。以提高激光辐照缺陷预测的完整性和稳定性。

38、具体有益效果包括：

39、1、本发明所述的缺陷演化预测方法，将多层材料参数映射、激光体吸收、相变、汽化质量通量、界面退缩和缺陷判定进行耦合，通过建立多层膜-基底结构的区域化材料映射模型、包含材料吸收系数和深度衰减因子的高斯激光体热源、温度相关固液相变模型、限幅饱和蒸气压模型、汽化质量通量模型以及水平集界面退缩模型，实现激光辐照下镀膜光学元件温度场、膜层熔融区域、膜层去除深度、基底熔融深度和烧蚀形貌的联合预测，完成从激光输入、材料响应到损伤形貌输出的物理信息闭环处理。

40、2、本发明所述的缺陷演化预测方法，针对多层介质膜逐层建立区域相关材料参数映射，将汽化质量通量转换为水平集界面退缩源项，并据此获得膜层去除深度、剩余膜厚及烧蚀坑几何形貌演化的技术手段。针对多层膜基底结构进行逐区域物性调用，并将激光吸收、相变、汽化质量损失与界面几何演化连续耦合，实现膜层及基底损伤形貌的动态预测。

41、3、本发明所述的缺陷演化预测方法，可用于高功率激光系统、惯性约束聚变装置、空间光学系统和精密激光加工系统中镀膜光学元件的激光缺陷预测。该方法能够在开展大量实物激光辐照损伤实验前，预估膜层熔融、汽化去除、基底熔融和烧蚀坑形貌演化，为镀膜结构优化、材料参数筛选、激光损伤阈值评估和光学元件寿命预测提供技术支撑，具有良好的工程应用价值。

42、本发明涉及光学元件激光缺陷预测与多物理场数值仿真技术领域，适用于预测镀膜光学元件在纳秒脉冲、单波长或多波长激光辐照条件下的膜层升温、熔融、汽化、去除及基底浅表熔融演化过程，提高膜层去除及基底熔融预测的稳定性和可解释性。