藍(lán)寶石長(zhǎng)波連續(xù)激光熱力學(xué)損傷特性研究

張文鋒，郭云芝，燕　飛，高挺挺

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng)　471009)

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藍(lán)寶石長(zhǎng)波連續(xù)激光熱力學(xué)損傷特性研究

張文鋒，郭云芝，燕飛，高挺挺

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng)471009)

摘要:對(duì)藍(lán)寶石在10． 6 μm 連續(xù)激光作用下熱力學(xué)損傷特性進(jìn)行研究。利用傅立葉光譜儀 測(cè)試藍(lán)寶石樣件的反射率和透過(guò)率，明確藍(lán)寶石需重點(diǎn)防護(hù)的激光波段為7 ～ 11 μm; 建立了藍(lán)寶 石軸對(duì)稱模型，利用有限元軟件ANSYS 對(duì)激光照射藍(lán)寶石材料的熱力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析 了模型中溫度和應(yīng)力分布，以及時(shí)間響應(yīng)特性，得到藍(lán)寶石損傷閾值; 并通過(guò)采用10． 6 μm 連續(xù) 激光對(duì)藍(lán)寶石樣件的損傷試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的一致性，表明所建立的藍(lán)寶石激光 輻照仿真模型具有合理性。

關(guān)鍵詞:藍(lán)寶石; 損傷閾值; 有限元; 熱力學(xué)

0引言

藍(lán)寶石是一種性能優(yōu)異的光學(xué)材料，在0.3～5 μm具有良好的光學(xué)特性，且硬度高、耐高溫，是比較理想的光學(xué)頭罩材料和紅外探測(cè)器窗口材料，已廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的紅外型空空導(dǎo)彈上。 當(dāng)藍(lán)寶石受到激光輻照時(shí)，材料吸收激光能量并迅速升溫，在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，可能會(huì)出現(xiàn)表面熔融、裂紋、甚至炸裂，從而影響其性能。 隨著激光武器的迅速發(fā)展，其對(duì)導(dǎo)彈構(gòu)成的威脅日漸凸顯。 強(qiáng)激光對(duì)藍(lán)寶石的損傷將使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)喪失目標(biāo)信號(hào)的接收能力，從而使導(dǎo)彈失去跟蹤和制導(dǎo)能力。 因此，面對(duì)日趨凸顯的激光武器的威脅，開展藍(lán)寶石材料的激光損傷研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)關(guān)于激光對(duì)光學(xué)材料、金屬材料及器件的損傷特性與機(jī)理進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究[1-4]，對(duì)藍(lán)寶石材料的激光損傷也開展了一些研究。 比如上海光機(jī)所的蔣成勇等研究了飛秒脈沖激光對(duì)藍(lán)寶石輻照作用，分析了藍(lán)寶石吸收特性與激光波長(zhǎng)的關(guān)系[5]； 何廣濤等采用量熱法測(cè)量藍(lán)寶石532 nm線偏振光輻照下的反射率和透過(guò)率，并獲得相應(yīng)的吸收率[6]； 李娟等構(gòu)建了高斯分布的連續(xù)激光輻照GaAs材料的二維軸對(duì)稱非穩(wěn)態(tài)物理模型，并進(jìn)行仿真分析[7]。

本文主要研究了強(qiáng)吸收的長(zhǎng)波激光對(duì)藍(lán)寶石的熱應(yīng)力損傷特性，利用有限元方法分析了溫度和應(yīng)力分布特性，通過(guò)試驗(yàn)得到藍(lán)寶石的損傷閾值。

1藍(lán)寶石的激光吸收特性

激光入射到藍(lán)寶石材料表面時(shí)，部分能量被藍(lán)寶石材料表面反射，部分被藍(lán)寶石材料吸收，部分則通過(guò)藍(lán)寶石材料透射，其中藍(lán)寶石材料對(duì)激光的吸收是其損傷或破壞的根源。 根據(jù)能量守恒定律可得

(1)

式中： ρR, αA,τT分別為反射率、吸收率、透過(guò)率[1]。 利用傅立葉光譜儀測(cè)試藍(lán)寶石的反射率和透過(guò)率，結(jié)果如圖1所示。

圖1藍(lán)寶石的反射率和透過(guò)率

吸收率無(wú)法直接測(cè)量，可根據(jù)式(1)，計(jì)算得到藍(lán)寶石的紅外吸收特性，在10.6μm的吸收率約為95%，如圖2所示。

由圖1～2可以看出，藍(lán)寶石材料在中短波主要以透過(guò)為主，而在長(zhǎng)波以吸收為主。 因此，藍(lán)寶石材料容易受到長(zhǎng)波激光的損傷，對(duì)于目前比較成熟的10.6μm高能激光，藍(lán)寶石的損傷閾值較低。 開展藍(lán)寶石的激光防護(hù)研究應(yīng)重點(diǎn)考慮防護(hù)長(zhǎng)波激光。

圖2藍(lán)寶石的紅外吸收特性

2激光輻照藍(lán)寶石的熱力學(xué)模型

對(duì)于一個(gè)厚度為h、半徑為r的圓柱形藍(lán)寶石樣件，均勻分布的激光光束垂直入射材料表面，考慮對(duì)稱性，可建立軸對(duì)稱模型，如圖3所示。

圖3激光輻照藍(lán)寶石材料的軸對(duì)稱模型

圖3中，z為材料的厚度方向；r為材料的徑向； 激光照射方向沿z軸向；a為入射激光光斑半徑。

激光在藍(lán)寶石材料內(nèi)部傳播時(shí)產(chǎn)生熱效應(yīng)，激光強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，對(duì)于均勻分布的激光，熱載荷表達(dá)式為

(2)

式中： Q(z)為熱載荷，單位為W/m3； α為材料對(duì)激光的吸收系數(shù)，單位為cm-1； ρR為材料表面反射率； I0為激光功率密度，單位為W/m2； z為距離激光入射表面的深度[7]。

3藍(lán)寶石激光損傷數(shù)值計(jì)算

3.1仿真條件

激光輻照藍(lán)寶石的數(shù)值仿真采用有限元軟件ANSYS，建立圖3所示的軸對(duì)稱模型，藍(lán)寶石樣件半徑為5mm，厚度為3.6mm，激光載荷為10.6μm連續(xù)激光，垂直照射藍(lán)寶石樣件表面，光斑直徑為200μm，激光輻照時(shí)間為2s，光束中心與樣品中心重合。 網(wǎng)格模型如圖4所示，選擇ANSYS中熱-力耦合分析單元PLANE13。

圖4網(wǎng)格模型

利用ANSYS中的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL(ANSYS Parametric Design Language)編寫激光熱源隨加載位置的變化情況。 計(jì)算中認(rèn)為藍(lán)寶石樣品的初始溫度分布均勻，T0=20 ℃。 藍(lán)寶石的熱物理和力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　藍(lán)寶石的熱物理和力學(xué)參數(shù)

3.2仿真結(jié)果

t=2 s時(shí)模型的溫度分布如圖5所示。 結(jié)果顯示，模型中心(即光斑表面中心)的溫度最高，達(dá)到464 ℃，低于藍(lán)寶石材料的熔點(diǎn)。

圖5模型的溫度分布(t=2 s)

提取模型中心點(diǎn)不同時(shí)刻的溫度，得到的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。 由圖6可以看出，中心點(diǎn)溫度經(jīng)歷了迅速上升、 震蕩、 緩慢上升的一個(gè)過(guò)程。

t=0.04 s時(shí)模型的應(yīng)力分布如圖7所示。 模型最大應(yīng)力為400 MPa，位于模型內(nèi)部。 提取該點(diǎn)不同時(shí)刻的應(yīng)力，得到的應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。 可以看出，模型的應(yīng)力經(jīng)歷了迅速增大、 震蕩到趨于穩(wěn)定的過(guò)程。 這是由于激光載荷施加于材料之后，藍(lán)寶石吸熱產(chǎn)生熱變形，熱量傳遞和應(yīng)力傳播的共同作用，使得模型出現(xiàn)溫度、 應(yīng)力震蕩的瞬態(tài)效應(yīng)。

圖6　溫度-時(shí)間曲線

圖7　模型的應(yīng)力分布(t=0.04 s)

圖8應(yīng)力-時(shí)間曲線

t=0.04 s時(shí)材料上表面應(yīng)力沿徑向分布如圖9所示。 由圖9可以看出，材料上表面距離光斑中心r=0.4 mm處應(yīng)力基本上也達(dá)到了藍(lán)寶石材料的應(yīng)力極限。 即t=0.04 s時(shí)模型上表面和內(nèi)部?jī)蓚€(gè)位置同時(shí)都達(dá)到材料的強(qiáng)度極限。

圖9模型上表面應(yīng)力沿徑向分布(t=0.04 s)

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的應(yīng)力極限時(shí)，模型即出現(xiàn)破壞性的損傷。 仿真中以平均應(yīng)力達(dá)到藍(lán)寶石的應(yīng)力極限400 MPa作為材料產(chǎn)生熱應(yīng)力損傷的依據(jù)。 分析可知，藍(lán)寶石的長(zhǎng)波連續(xù)激光損傷主要是熱應(yīng)力損傷，其損傷閾值為5.178 6×104W/cm2。

4試驗(yàn)對(duì)比

藍(lán)寶石樣件損傷試驗(yàn)所用激光器為10.6 μm的準(zhǔn)連續(xù)式CO2氣體激光器，激光作用時(shí)間為2 s，激光光斑大小為200 μm。

激光損傷試驗(yàn)原理框圖如圖10所示。 試驗(yàn)后，用金相顯微鏡、 白光干涉儀等儀器觀測(cè)試驗(yàn)件的損傷情況。

圖10激光損傷試驗(yàn)原理框圖

觀察藍(lán)寶石樣件的損傷形貌，在光斑周圍出現(xiàn)熔融破壞、 炸裂的特征。 這是由于連續(xù)激光屬于高能激光，熱因素起主導(dǎo)作用，熱-力耦合聯(lián)合作用的特征明顯。 由于藍(lán)寶石的融化溫度較高，在激光功率低時(shí)，以熱應(yīng)力破壞為主，出現(xiàn)不規(guī)則的炸裂或龜裂的破壞花樣； 在功率高時(shí)，除炸裂外，還會(huì)產(chǎn)生熔融破壞，出現(xiàn)熔化再凝固的破壞痕跡[1，8]。 試驗(yàn)中藍(lán)寶石的損傷形貌與文獻(xiàn)的結(jié)論一致。

激光損傷試驗(yàn)中，當(dāng)激光功率密度為4.682×104W/cm2時(shí)，未出現(xiàn)損傷； 當(dāng)激光功率密度提高到6.369×104W/cm2時(shí)，藍(lán)寶石樣件出現(xiàn)損傷，如圖11所示。

圖11藍(lán)寶石樣件試驗(yàn)結(jié)果

將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。 由表2可以看出，藍(lán)寶石對(duì)10.6 μm連續(xù)激光的損傷閾值在上述兩個(gè)值之間，仿真結(jié)果剛好介于兩次試驗(yàn)中激光強(qiáng)度之間，表明本文所采用的仿真方法是合理的。

表2　仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

需要指出，藍(lán)寶石材料實(shí)際的損傷閾值受試驗(yàn)中各種情況的影響，比如材料表面的水汽、雜質(zhì)、缺陷等，而仿真是在理想條件下進(jìn)行的，材料的物理屬性采用的是恒定數(shù)值，未考慮其隨溫度的變化。

5結(jié)論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)光學(xué)材料藍(lán)寶石在長(zhǎng)波連續(xù)激光輻照下的損傷特性進(jìn)行了研究。 仿真結(jié)果表明，藍(lán)寶石在長(zhǎng)波連續(xù)激光作用下，因熱應(yīng)力損傷而破壞，最高溫度位于光斑中心，而最大應(yīng)力出現(xiàn)在距離光斑外一定距離和模型內(nèi)部?jī)蓚€(gè)部位。 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果可知，兩種結(jié)果的藍(lán)寶石損傷閾值相吻合，驗(yàn)證了仿真方法的合理性。 該研究結(jié)果和方法可以為藍(lán)寶石的激光損傷研究提供支持，對(duì)導(dǎo)彈抗激光武器的研究具有一定參考價(jià)值。

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Study on Thermodynamics Damage Characteristics of Sapphire from CW Laser

Zhang Wenfeng, Guo Yunzhi, Yan Fei, Gao Tingting

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract:Thermodynamics damage characteristics of sapphire from 10.6 μm CW laser are studied. The reflectivity and transmissivity of sapphire samples are obtained by means of Fourier spectrograph, which indicates that the pivotal laser wave band which sapphire needs to be protected is 7～11 μm.An axisymmetrical model of sapphire is built, and thermodynamics damage characteristics of sapphire from laser is simulated using the finite element software of ANSYS.The distribution of temperature and stress and response time characteristic of the model are analysed, then the damage threshold of sapphire sample is obtained. Finally, laser damage experimentations on sapphire samples are performed with 10.6 μm CW laser,which indicates that the results of simulation and experimentations are accordant. This shows that the simulation model of sapphire laser irradiation is reasonable.

Key words:sapphire; damage threshold; finite element; thermodynamics

中圖分類號(hào):TN249; O437

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1673-5048( 2016) 02-0052-04

作者簡(jiǎn)介：張文鋒(1983-)，男，河南葉縣人，碩士，工程師，研究方向?yàn)榭仗煳淦骺傮w技術(shù)及力學(xué)仿真。

收稿日期：2015-07-04

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.02.010