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题名:
光学元件吸收损耗和热变形检测技术研究
作者: 王艳茹
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 李斌成
关键词: 激光量热技术,吸收,最佳温度探测位置,多参数拟合,表面热透镜技术,表面热变形,哈特曼波前传感器
学位专业: 光学工程
中文摘要: 随着高功率激光器及激光系统的不断发展,对光学元件性能提出了更为苛刻的要求。因此光学元件性能的改善已经成为提高整个光路系统的关键所在。其中,光学元件的吸收损耗和表面热变形对入射激光束能量和光束质量的影响,已成为限制高功率激光技术进一步发展的一个重要因素。光学薄膜元件吸收损耗的准确测量,对于优化镀膜工艺、薄膜损伤机理研究、提高光学元件质量具有重要意义。因此,本文针对吸收损耗和热变形这两个关键参数展开深入研究。采用激光量热法测量光学元件微弱吸收损耗,同时利用表面热透镜技术联合哈特曼波前传感技术测量光学元件由于吸收引起的表面热变形分布。多种测试方法的结合可实现参数的可靠性验证。论文主要开展了如下工作: 首先从三维热传导方程出发,利用格林函数法推导了光学元件因激光辐照所引起的样品内精确温度场分布。在提出的精确温度模型中,同时考虑了样品的有限热导率、有限尺寸效应以及样品与周围环境的热交换。使得该精确温度模型能够真实反映样品所处的物理环境,因而得到的温升分布更为准确。通过对模型进行仿真计算,分析了基底材料热物理性质、样品尺寸以及热交换系数等参数对温升分布的影响。并采用有限元分析软件进行了理论公式的正确性验证,数值模拟与有限元计算结果得到了较好的一致。 基于发展的精确温度模型理论,将其应用于以测量温升分布为基础的激光量热技术中,用于准确获得样品的吸收损耗值。通过建立合适的优化算法,对激光量热实验数据进行拟合分析,可反演获得待测光学元件的热效应参数,如吸收损耗和热扩散系数,以及热损耗系数等,本文对这些参数的测量灵敏度也进行了理论分析。通过对同一组实验数据的精确温度模型和均匀温度模型的拟合结果对比发现:精确温度模型具有更高的测量重复性和可靠性。提出了采用精确温度模型优化温度传感器位置的方法,并给出了优化结果。提出了对于尺寸变化的样品应采用位置可调的温度探测方法以消除有限热导率对吸收损耗拟合结果的影响。
在激光量热法绝对测量光学元件吸收损耗的基础上,开展了利用表面热透镜技术测量光学元件表面热变形的实验研究。搭建了表面热透镜技术实验测试平台,通过对实验系统参数的定标,可实现样品表面nm量级热畸变的绝对测量。分析了包括激励光功率、调制频率等实验参数对表面热透镜信号测量的影响。理论形变分布与实验结果获得了较好的一致。 相较于表面热透镜技术测量样品表面中心点形变高度,发展了利用哈特曼波前传感技术,通过激励光束照射前后两次波面相减来获取光学元件光热畸变形貌分布的方法。根据菲涅尔衍射理论,研究了利用哈特曼波前传感技术测量的热畸变随不同探测距离的变化关系,并得到了实验验证。并将哈特曼测量结果与表面热透镜技术测量结果进行了比较,以及与理论上的热弹形变分布进行了对比,获得了良好的结果。 激光量热法、表面热透镜技术以及哈特曼波前传感技术三种测量方法结合一方面使得获得的样品信息更为丰富(可以实现热畸变形貌分布成像),另一方面可以实现吸收损耗和热畸变参数测量的可靠性验证。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/593
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王艳茹. 光学元件吸收损耗和热变形检测技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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