光電系統(tǒng)的強激光破壞及防護技術研究.pdf

1、隨著激光技術在軍事領域中應用的日益廣泛和深入,使現(xiàn)代戰(zhàn)爭充斥著激光的威脅.拋開已大量裝備部隊的激光測距機、激光雷達、激光照射器等不談,用于攻擊光電傳感器的各類戰(zhàn)術激光武器已大量裝備于各軍事強國.激光對人眼、光學系統(tǒng)、光電系統(tǒng)的破壞日益受到重視,光電系統(tǒng)的激光破壞及其防護技術已成為光電對抗領域中重要組成部分,并成為該研究領域的焦點. 本論文在總裝試驗技術項目、軍隊科研項目和解放軍軍械工程學院重點基金等的資助下,開展了強激光對光學材

2、料、光學元器件、光電探測器件和光電系統(tǒng)的干擾、破壞以及強激光防護技術的研究工作. 本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點以下: 1.系統(tǒng)建立了激光輻照的熱力耦合理論模型以激光與物質相互作用和熱傳導方程為理論基礎,首次系統(tǒng)建立了激光輻照的熱力耦合理論模型,并對一維非穩(wěn)態(tài)方程、二維非穩(wěn)態(tài)(有限平頂光斑、高斯光斑)方程和三維非穩(wěn)態(tài)溫度方程進行理論分析和研究,推導出不同情況下激光輻照材料的溫升和熱應力方程,并進一步對激光輻照材料的熔融時間和最大

3、熔融深度,氣化和燒蝕,沖擊波的傳播和層裂進行理論研究. 2.對激光輻照光學材料的破壞技術進行了研究建立了連續(xù)激光輻照工作波段外光學材料的數(shù)學模型,首次以波長為10.6μm的CO<,2>激光輻照K9玻璃為例,對基模高斯激光光束輻照材料的溫升和熱應力場的瞬態(tài)分布進行了計算模擬研究,通過曲線擬合確定材料最易損傷的位置,計算出材料的損傷閾值.結果表明:K9玻璃材料的損傷形態(tài)為解理破壞,破壞的原因是環(huán)向拉伸應力大于材料的抗拉強度,且材料的

4、損傷閾值與輻照時間反向相關,即激光功率密度越高,造成破壞所需的時間越短. 建立了連續(xù)激光輻照工作波段內(nèi)光學材料的數(shù)學模型,首次對三維熱傳導方程進行精確求解解析解,得到了三維溫度場和熱應力場分布,并以波長為1.315μm的氧碘激光輻照熔融石英玻璃為例進行了理論研究.結果表明:當激光的輻照時間為8s時,受激光輻照的入射面與出射面溫度均已超過熔融溫度,激光造成材料的熔融而穿孔,而此時材料的徑向、環(huán)向和激光傳輸方向上的最大熱應力均未超過

5、材料的抗拉強度或抗壓強度,不足使其產(chǎn)生炸裂或解理.因此,氧碘激光對熔融石英的損傷主要是激光輻照導致材料熔融燒蝕甚至穿孔. 研究了連續(xù)激光對半導體材料的損傷機理.首次建立了激光輻照圓板型半導體靶材的二維物理模型,求解了熱傳導和熱應力方程,得到了激光輻照引起的溫度場和應力場的瞬態(tài)分布,分析了輻照時間、光斑半徑以及非線性參量對破壞閾值的影響.結果表明:InSb材料的損傷閾值與輻照時間和光斑半徑反向相關,且在同一條件下熔融損傷閾值較熱應

6、力損傷閾值低,材料的破壞形態(tài)為熔融破壞. 3.激光對光學器件的破壞技術研究首次對波長為1.06μm的脈沖激光輻照類金剛石(DLC)薄膜的熱沖擊效應進行了研究.建立理論模型,求解熱傳導和應力平衡方程,得出了薄膜的溫度場和應力場分布.理論分析表明:熱應力破壞在脈沖強激光對DLC膜的損傷機理中占主導地位.當輻照能量密度為E<,0>=100mJ·cm<'-2>時,在薄膜表面距光斑中心約40μm區(qū)域內(nèi)的壓應力明顯超出其斷裂強度,將造成膜層

7、的剝離、脫落.理論分析與實驗結果基本相符,表明建立熱沖擊效應模型的正確性. 首次對激光破壞四象限探測器進行了理論分析和實驗研究.理論分析表明激光對光電探測器的干擾和破壞主要有兩方面的原因:一是激光造成半導體材料的"熔化和結晶",形成漏電通道,等效為一個并聯(lián)電阻；二是激光造成半導體材料破壞后光敏面面積減小.實驗結果表明激光輻照四象限光電探測器中的一個或幾個,可造成光電探測器對光斑質心測量的誤差. 首次建立了激光輻照HgCd

8、Te光電導探測器的非穩(wěn)態(tài)物理模型,得到了溫度場分布的數(shù)值解,分析瞬態(tài)溫度場分布隨時間變化的關系,討論了激光輻照對探測器性能參數(shù)的影響.理論分析表明:激光對HgCdTe光電導探測器的破壞,主要表現(xiàn)為熱效應破壞,且改變材料的禁帶寬度、光譜特性和電學特性等重要參數(shù),從而導致探測質量下降,探測器失效,甚至器件的熔蝕. 4.光限幅器的優(yōu)化設計研究以Z掃描技術理論為基礎,首先系統(tǒng)研究了介質厚度、介質位置、孔徑位置、孔徑大小、非線性吸收、非線