一种基于多尺度计算损伤前驱体对光学材料激光损伤阈值的评估方法

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1.本发明涉及损伤前驱体对光学材料激光损伤阈值计算评估领域，具体是一种基于多尺度计算损伤前驱体对光学材料激光损伤阈值的评估方法。


背景技术：

2.现有的基于一般热传导方程的三维热吸收模型能够对特定情况下的光学材料的热传输过程进行模拟，并分析温度场分布、获得与损伤相关信息。但是这些模型只能针对某一种光学材料进行分析，而且忽略了缺陷作为损伤前驱体对激光能量的吸收过程，仅是简单地在材料中某一区域设定高温作为热源，模拟激光诱导吸收产生的能量。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了解决现有问题，而提供一种基于多尺度计算损伤前驱体对光学材料激光损伤阈值的评估方法。
4.本发明的技术解决措施如下：一种基于多尺度计算损伤前驱体对光学材料激光损伤阈值的评估方法，包含以下步骤：
5.s1、设计损伤前驱体和光学元件的光学及热力学性质参数：首先构建并优化稳定的损伤前驱体存在的光学材料缺陷模型，其次通过第一性原理计算获得各类损伤前驱体存在下的缺陷模型的结构密度、电子结构(能带间隙eg)和介电函数ε，最后利用分子动力学计算获得不同温度下的无缺陷光学元件的各项热力学参数，主要包含热导率k(t)和比热容cp(t)。
6.s2、设计动态引入入射激光：首先设定激光功率密度i和激光脉宽λ，选取在该波长下的前驱体的介电函数ε；再结合米散射理论所获得损伤前驱体缺陷结构的尺寸r、吸收截面、散射截面和反射截面来完成嵌入热源的操作，最终求解出以损伤前驱体缺陷作为热源所吸收的激光能量q；
7.s3、构建针对不同光学材料的结合微观计算的宏观激光损伤模型：(1)在常规的热传导模型中引入激光能量项q，并在损伤前驱体与光学元件接触区域设定定界条件，完善激光能量由前驱体向元件的传输过程；(2)将与温度相关的元件参数k(t)和cp(t)带入到模型中，引入元件性能随温度变化的动态过程；(3)将改进后的热传输模型三维化，并且添加边界条件，利用时域差分法求解并获得激光辐照过程中材料晶格温度分布信息，以上述信息为基础，根据热损伤的判据，计算出光学材料的损伤阈值和损伤半径。
8.作为优选，所述边界条件包括但不仅限于求解元件表面损伤问题时，需设定元件表面与空气之间的热流传递状态。
9.作为优选，所述热损伤的判据以材料晶格临界温度为判据。
10.作为优选，所述s1中光学材料缺陷模型的构建包括以下步骤：利用ms软件构建材料晶体结构、建立不同缺陷类型的掺杂模型和利用dft方法弛豫结构。
11.作为优选，所述s1中损伤前驱体的各项参数用于入射激光的引入过程，而光学元件的各项参数可以带入到宏观激光损伤模型中，模拟动态的激光损伤过程。
12.本发明的有益效果在于：
13.(1)本发明考虑米散射理论，将多种类型的损伤前驱体作为激光吸收源，结合热传输模型，动态地向光学材料中引入激光能量，评估损伤前驱体对材料损伤阈值影响。与现有单纯的表面固定热源(设定局部初始高温)的模拟方法不同。
14.(2)本发明中涵盖了涉及光学材料的多种参数，通过调整相关参数，可以模拟分析多种光学材料的损伤阈值和损伤半径。这与现有的只针对单一材料的激光损伤模拟模型不同。
15.(3)本发明将缺陷的微观性质(光吸收、能带间隙等)与光学材料的宏观性能(热力学性质)相结合，这与现有的关注于宏观或微观尺度的理论模型不同。
16.(4)本发明可以对入射激光参数进行控制，从而分析激光参数(脉宽、功率密度等)对光学材料损伤阈值的影响。这与针对单一波长的激光损伤理论模型不同。
附图说明：
17.图1为本发明流程示意图；
18.图2为实施例一功率密度为1.7gw/cm2，脉宽为5ns，波长355nm的激光辐照下达到损伤阈值时熔石英温度场分布；
19.图3为实施例一不同激光脉宽情况下达到损伤阈值时熔石英温度场分布；
20.图4为实施例二环境温度300k，脉宽400ps，激光能量为0.36j/cm2时，单晶硅表面温度场分布；
21.图5为实施例二以铁元素为损伤前驱体，单晶硅材料激光诱导损伤阈值与环境温度关系图；
具体实施方式：
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
24.基于多尺度计算损伤前驱体对光学材料激光损伤阈值的评估方法，包含以下步骤：
25.s1、设计损伤前驱体和光学元件的光学及热力学性质参数：首先构建并优化稳定的损伤前驱体存在的光学材料缺陷模型，其次通过第一性原理计算获得各类损伤前驱体存在下的缺陷模型的结构密度、电子结构(能带间隙eg)和介电函数ε，最后利用分子动力学计算获得不同温度下的无缺陷光学元件的各项热力学参数，主要包含热导率k(t)和比热容cp
(t)。
26.s2、设计动态引入入射激光：首先设定激光功率密度i和激光脉宽λ，选取在该波长下的前驱体的介电函数ε；再结合米散射理论所获得损伤前驱体缺陷结构的尺寸r、吸收截面、散射截面和反射截面来完成嵌入热源的操作，最终求解出以损伤前驱体缺陷作为热源所吸收的激光能量q；
27.s3、构建针对不同光学材料的结合微观计算的宏观激光损伤模型：(1)在常规的热传导模型中引入激光能量项q，并在损伤前驱体与光学元件接触区域设定定界条件，完善激光能量由前驱体向元件的传输过程；(2)将与温度相关的元件参数k(t)和cp(t)带入到模型中，引入元件性能随温度变化的动态过程；(3)将改进后的热传输模型三维化，并且添加边界条件，利用时域差分法求解并获得激光辐照过程中材料晶格温度分布信息，以上述信息为基础，根据热损伤的判据，计算出光学材料的损伤阈值和损伤半径。
28.具体地，所述边界条件包括但不仅限于求解元件表面损伤问题时，需设定元件表面与空气之间的热流传递状态。
29.具体地，所述热损伤的判据以材料晶格临界温度为判据。
30.具体地，所述s1中光学材料缺陷模型的构建包括以下步骤：利用ms软件构建材料晶体结构、建立不同缺陷类型的掺杂模型和利用dft方法弛豫结构。
31.具体地，所述s1中损伤前驱体的各项参数用于入射激光的引入过程，而光学元件的各项参数可以带入到宏观激光损伤模型中，模拟动态的激光损伤过程。
32.实施例1
33.对以中性氧空位缺陷作为损伤前驱体时，不同激光脉宽下熔石英材料在三倍频激光辐照时损伤阈值进行模拟。首先构建中性氧空位缺陷大量存在的熔石英缺陷模型，利用第一性原理计算得到复折射率为1.08-0.16i、eg为6.08ev。之后采用分子动力学方法模拟计算出无缺陷熔石英的k(t)和cp(t)。设定缺陷尺寸为200nm，熔石英密度为2.2g/cm3，将所有参数带入到添加边界条件的热传输模型中，通过调整激光功率密度i(gw/cm2)与激光脉宽λ(ns)，最终获得不同激光脉宽下，熔石英材料在三倍频激光辐照时损伤阈值。图2中在功率密度为1.7gw/cm2，脉宽为5ns，波长355nm的激光辐照下，熔石英表面不同时刻的温度场分布。在图中，曲线黑色、红色代表激光作用时，吸收波前随温度的推进，每隔0.5ns生成一条黑色曲线；每隔0.25生成一条红色曲线。结果显示当激光功率密度为1.7gw/cm2时，前驱体的中心温度出现巨大提升，直接升高到14500k左右，此时熔石英表面出现明显高温区域的半径将会达到650nm。除此之外，当照射时间超过4ns时，即红色曲线部分，前驱体区域的温度急速上升，而且高温的传播范围也出现极大的增加，出现明显的吸收波前。图3显示不同激光脉宽情况下达到损伤阈值时熔石英表面与内部温度场分布。脉宽越小，损伤阈值也就越小，这个模拟结果满足实验中发现的根号关系(损伤阈值正比于脉宽的根号值)。
34.实施例2
35.对以铁元素为损伤前驱体，对不同环境温度下，单晶硅材料在1064nm激光辐照时损伤阈值进行模拟。首先通过第一性原理计算和分子动力学计算得到前驱体缺陷模型的介电函数和单晶硅的k(t)和cp(t)。之后设置激光参数为波长1064nm，脉宽为400ps。通过手动设定单晶硅表面温度，模拟不同环境温度下，单晶硅材料在1064nm激光辐照时损伤阈值。图4展示的为室温条件下，激光能量为0.36j/cm2时，单晶硅表面温度分布情况。此时中心区域
温度以达到4000k，可以被判定为超过损伤阈值(损伤阈值以表面温度超过1500k作为判断依据，1500k为单晶硅材料熔点)。不同环境温度下的损伤阈值结果如图5所示，从中可以看出，环境温度与损伤阈值存在线性关系，在环境温度逐渐增长后，单晶硅材料的损伤阈值随之下降。
36.以上所述只是用于理解本发明的方法和核心思想，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利的保护范围。