蓝宝石长波连续激光热力学损伤特性研究

张文锋，郭云芝，燕　飞，高挺挺

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳　471009)



蓝宝石长波连续激光热力学损伤特性研究

张文锋，郭云芝，燕飞，高挺挺

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009)

摘要:对蓝宝石在10． 6 μm 连续激光作用下热力学损伤特性进行研究。利用傅立叶光谱仪 测试蓝宝石样件的反射率和透过率，明确蓝宝石需重点防护的激光波段为7 ～ 11 μm; 建立了蓝宝 石轴对称模型，利用有限元软件ANSYS 对激光照射蓝宝石材料的热力学特性进行数值模拟，分析 了模型中温度和应力分布，以及时间响应特性，得到蓝宝石损伤阈值; 并通过采用10． 6 μm 连续 激光对蓝宝石样件的损伤试验，验证了仿真结果和试验结果的一致性，表明所建立的蓝宝石激光 辐照仿真模型具有合理性。

关键词:蓝宝石; 损伤阈值; 有限元; 热力学

0引言

蓝宝石是一种性能优异的光学材料，在0.3～5 μm具有良好的光学特性，且硬度高、耐高温，是比较理想的光学头罩材料和红外探测器窗口材料，已广泛应用于先进的红外型空空导弹上。 当蓝宝石受到激光辐照时，材料吸收激光能量并迅速升温，在材料内部产生热应力，可能会出现表面熔融、裂纹、甚至炸裂，从而影响其性能。 随着激光武器的迅速发展，其对导弹构成的威胁日渐凸显。 强激光对蓝宝石的损伤将使整个光学系统丧失目标信号的接收能力，从而使导弹失去跟踪和制导能力。 因此，面对日趋凸显的激光武器的威胁，开展蓝宝石材料的激光损伤研究具有重要意义。

国内关于激光对光学材料、金属材料及器件的损伤特性与机理进行了大量的理论和试验研究[1-4]，对蓝宝石材料的激光损伤也开展了一些研究。 比如上海光机所的蒋成勇等研究了飞秒脉冲激光对蓝宝石辐照作用，分析了蓝宝石吸收特性与激光波长的关系[5]； 何广涛等采用量热法测量蓝宝石532 nm线偏振光辐照下的反射率和透过率，并获得相应的吸收率[6]； 李娟等构建了高斯分布的连续激光辐照GaAs材料的二维轴对称非稳态物理模型，并进行仿真分析[7]。

本文主要研究了强吸收的长波激光对蓝宝石的热应力损伤特性，利用有限元方法分析了温度和应力分布特性，通过试验得到蓝宝石的损伤阈值。

1蓝宝石的激光吸收特性

激光入射到蓝宝石材料表面时，部分能量被蓝宝石材料表面反射，部分被蓝宝石材料吸收，部分则通过蓝宝石材料透射，其中蓝宝石材料对激光的吸收是其损伤或破坏的根源。 根据能量守恒定律可得

(1)

式中： ρR, αA,τT分别为反射率、吸收率、透过率[1]。 利用傅立叶光谱仪测试蓝宝石的反射率和透过率，结果如图1所示。

图1蓝宝石的反射率和透过率

吸收率无法直接测量，可根据式(1)，计算得到蓝宝石的红外吸收特性，在10.6μm的吸收率约为95%，如图2所示。

由图1～2可以看出，蓝宝石材料在中短波主要以透过为主，而在长波以吸收为主。 因此，蓝宝石材料容易受到长波激光的损伤，对于目前比较成熟的10.6μm高能激光，蓝宝石的损伤阈值较低。 开展蓝宝石的激光防护研究应重点考虑防护长波激光。

图2蓝宝石的红外吸收特性

2激光辐照蓝宝石的热力学模型

对于一个厚度为h、半径为r的圆柱形蓝宝石样件，均匀分布的激光光束垂直入射材料表面，考虑对称性，可建立轴对称模型，如图3所示。

图3激光辐照蓝宝石材料的轴对称模型

图3中，z为材料的厚度方向；r为材料的径向； 激光照射方向沿z轴向；a为入射激光光斑半径。

激光在蓝宝石材料内部传播时产生热效应，激光强度按指数规律衰减，对于均匀分布的激光，热载荷表达式为

(2)

式中： Q(z)为热载荷，单位为W/m3； α为材料对激光的吸收系数，单位为cm-1； ρR为材料表面反射率； I0为激光功率密度，单位为W/m2； z为距离激光入射表面的深度[7]。

3蓝宝石激光损伤数值计算

3.1仿真条件

激光辐照蓝宝石的数值仿真采用有限元软件ANSYS，建立图3所示的轴对称模型，蓝宝石样件半径为5mm，厚度为3.6mm，激光载荷为10.6μm连续激光，垂直照射蓝宝石样件表面，光斑直径为200μm，激光辐照时间为2s，光束中心与样品中心重合。 网格模型如图4所示，选择ANSYS中热-力耦合分析单元PLANE13。

图4网格模型

利用ANSYS中的参数化设计语言APDL(ANSYS Parametric Design Language)编写激光热源随加载位置的变化情况。 计算中认为蓝宝石样品的初始温度分布均匀，T0=20 ℃。 蓝宝石的热物理和力学参数如表1所示。

表1　蓝宝石的热物理和力学参数

3.2仿真结果

t=2 s时模型的温度分布如图5所示。 结果显示，模型中心(即光斑表面中心)的温度最高，达到464 ℃，低于蓝宝石材料的熔点。

图5模型的温度分布(t=2 s)

提取模型中心点不同时刻的温度，得到的温度随时间变化曲线如图6所示。 由图6可以看出，中心点温度经历了迅速上升、 震荡、 缓慢上升的一个过程。

t=0.04 s时模型的应力分布如图7所示。 模型最大应力为400 MPa，位于模型内部。 提取该点不同时刻的应力，得到的应力随时间变化曲线如图8所示。 可以看出，模型的应力经历了迅速增大、 震荡到趋于稳定的过程。 这是由于激光载荷施加于材料之后，蓝宝石吸热产生热变形，热量传递和应力传播的共同作用，使得模型出现温度、 应力震荡的瞬态效应。

图6　温度-时间曲线

图7　模型的应力分布(t=0.04 s)

图8应力-时间曲线

t=0.04 s时材料上表面应力沿径向分布如图9所示。 由图9可以看出，材料上表面距离光斑中心r=0.4 mm处应力基本上也达到了蓝宝石材料的应力极限。 即t=0.04 s时模型上表面和内部两个位置同时都达到材料的强度极限。

图9模型上表面应力沿径向分布(t=0.04 s)

当应力达到材料的应力极限时，模型即出现破坏性的损伤。 仿真中以平均应力达到蓝宝石的应力极限400 MPa作为材料产生热应力损伤的依据。 分析可知，蓝宝石的长波连续激光损伤主要是热应力损伤，其损伤阈值为5.178 6×104W/cm2。

4试验对比

蓝宝石样件损伤试验所用激光器为10.6 μm的准连续式CO2气体激光器，激光作用时间为2 s，激光光斑大小为200 μm。

激光损伤试验原理框图如图10所示。 试验后，用金相显微镜、 白光干涉仪等仪器观测试验件的损伤情况。

图10激光损伤试验原理框图

观察蓝宝石样件的损伤形貌，在光斑周围出现熔融破坏、 炸裂的特征。 这是由于连续激光属于高能激光，热因素起主导作用，热-力耦合联合作用的特征明显。 由于蓝宝石的融化温度较高，在激光功率低时，以热应力破坏为主，出现不规则的炸裂或龟裂的破坏花样； 在功率高时，除炸裂外，还会产生熔融破坏，出现熔化再凝固的破坏痕迹[1，8]。 试验中蓝宝石的损伤形貌与文献的结论一致。

激光损伤试验中，当激光功率密度为4.682×104W/cm2时，未出现损伤； 当激光功率密度提高到6.369×104W/cm2时，蓝宝石样件出现损伤，如图11所示。

图11蓝宝石样件试验结果

将仿真结果与试验结果进行对比，如表2所示。 由表2可以看出，蓝宝石对10.6 μm连续激光的损伤阈值在上述两个值之间，仿真结果刚好介于两次试验中激光强度之间，表明本文所采用的仿真方法是合理的。

表2　仿真与试验结果对比

需要指出，蓝宝石材料实际的损伤阈值受试验中各种情况的影响，比如材料表面的水汽、杂质、缺陷等，而仿真是在理想条件下进行的，材料的物理属性采用的是恒定数值，未考虑其随温度的变化。

5结论

通过数值计算对光学材料蓝宝石在长波连续激光辐照下的损伤特性进行了研究。 仿真结果表明，蓝宝石在长波连续激光作用下，因热应力损伤而破坏，最高温度位于光斑中心，而最大应力出现在距离光斑外一定距离和模型内部两个部位。 对比试验结果与仿真结果可知，两种结果的蓝宝石损伤阈值相吻合，验证了仿真方法的合理性。 该研究结果和方法可以为蓝宝石的激光损伤研究提供支持，对导弹抗激光武器的研究具有一定参考价值。

参考文献：

[1] 孙承伟.激光辐照效应[M].北京:国防工业出版社,2002.

[2] 赵建君, 宋春荣, 刘进.1.06 μm连续激光辐照GaAs探测器的理论研究[J].军械工程学院学报, 2005, 17(6):21-24.

[3] 郭少锋, 陆启生, 程湘爱，等.连续激光辐照下光学材料损伤阈值的光斑效应[J].光学学报, 2002, 22(9):1055-1058.

[4] 郭少锋, 陆启生, 程湘爱，等.光学材料的激光损伤形态研究[J].强激光与粒子束, 2002, 14(2):238-242.

[5] 蒋成勇, 周国清, 徐军, 等.飞秒脉冲激光对蓝宝石辐照作用的研究[J].人工晶体学报, 2003, 32(2):125-129.

[6] 何广涛, 魏昕, 谢小柱, 等.蓝宝石对532 nm激光吸收率的实验测量[J].激光技术, 2011, 35(l):54-57.

[7] 李娟, 孙文军, 孙京南, 等.连续激光辐照GaAs材料损伤的数值模拟计算[J].光子学报, 2012, 41(5):571-574.

[8] 李清源.强激光对飞行器的毁伤效应[M].北京:中国宇航出版社, 2012.

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

中图分类号:TN249; O437

文献标识码:A

文章编号:1673-5048( 2016) 02-0052-04

作者简介：张文锋(1983-)，男，河南叶县人，硕士，工程师，研究方向为空天武器总体技术及力学仿真。

收稿日期：2015-07-04

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