4-73  强激光对传输光学元件热效应的数值模拟研究

王伟平

强激光通过反射镜、窗口等光学元件传输过程中，光学材料对激光会有微弱的吸收，由此引起光学元件的热畸变，影响传输效率和远场能量集中度。基于三维瞬态热传导方程和弹性应力－应变方程，研究了波长1.315 mm非对称环形强激光束辐照下硅反射镜、白宝石窗口的温度、变形和应力的分布规律，特别研究了激光强度、激光输出时间、光束遮拦比、光强分布的空间梯度等对元件热效应的影响；还研究了波长3.8 mm非对称空心矩形激光束辐照下氟玻璃窗口温度、变形和应力的分布规律。计算了变形对光束波前位相和光束质量的影响。

数值计算结果表明，在光束遮拦比为0.4、光斑外半径为5 cm、出光时间为4 s、镜面吸收平均激光功率密度1 W/cm²、光强分布的空间梯度为0.1 cm^-1的条件下，镜面最高温升约为3.6℃，最大变形约为0.18 mm，最大等效应力约为7.5 MPa。当吸收平均激光功率密度增大为10 W/cm²下，镜面最大温升达27 ℃、变形为3.3 mm、等效应力为72 MPa。当功率密度为1 kW/cm²、光斑外半径为5 cm、遮拦比为0.4、光强分布的空间梯度为0.1 cm^-1的环状1.315 mm激光束垂直通过白宝石窗口(f 12 cm×1 cm)4s后，窗口局部最高温升约4℃、最大变形0.26 mm，最高应力约为9.4 MPa，远小于其280 MPa的断裂强度，不会导致窗口破坏。

当截面为空心矩形分布尺寸为10 cm×10 cm ~5 cm×5 cm、功率密度为3100 W/cm²、光强分布的空间梯度为0.1cm^-1的3.8mm激光通过氟玻璃窗口（f18 cm×0.5 cm）2s后，窗口局部最高温升约31 ℃、局部最大变形约1.1 mm、最大等效应力约16 MPa，也小于其49 MPa的断裂强度。数值模拟窗口温升的结果与实验结果一致。在考虑由于热膨胀引起的光学窗口厚度的变化DL_thermal(x , y , t)和窗口温度变化引起折射率的热漂移DL_thermal(x , y , t)后，计算得到上述参数的DF激光束通过氟玻璃窗口后光程变化的均方根值约为0.24 mm。

其他条件相同时，光强空间分布梯度不仅对镜面温度场、变形和等效应力分布造成较大影响，而且对最高温升、变形和等效应力值也产生影响。在光束分布较均匀时，可用柱对称（二维）模型计算，而光束分布极不均匀时，需要用三维模型计算。依据文中的条件，在光强分布的空间梯度很小或激光功率和能量不大时，单个镜面变形对光束质量因子影响较小，但多块镜面对光束质量的影响较大。在光强分布的空间梯度很大或者激光功率和能量很大时，单个镜面变形引入的光束质量因子很大。比较了实心激光束总功率一定和功率密度一定时，镜面热效应对光斑尺寸的不同依赖关系。结果表明，激光功率一定时，适当扩大光束尺寸，有助于减小热效应；而激光功率密度一定时，随着光斑尺寸的增大，镜面热效应也在增加。