本發(fā)明涉及光學(xué)元件，尤其涉及一種基于激光輻照預(yù)測(cè)光學(xué)元件損傷演化的方法，可應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)中光學(xué)元件的損傷預(yù)測(cè)和壽命評(píng)估。

背景技術(shù)：

1、熔石英在真空環(huán)境中的激光損傷問(wèn)題一直是制約其應(yīng)用性能的關(guān)鍵問(wèn)題之一，在真空環(huán)境中，熔石英抗激光損傷的能力下降，損傷閾值相較于大氣環(huán)境有所下降，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p傷在后繼激光輻照下進(jìn)一步擴(kuò)展，從而增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本和使用效率。

2、研究發(fā)現(xiàn)，這一變化主要?dú)w因于真空環(huán)境中熔石英表面和內(nèi)部缺陷的增強(qiáng)以及熱傳遞方式的改變。微觀上，當(dāng)熔石英置于真空環(huán)境時(shí)，紫外激光輻照會(huì)使其出現(xiàn)odcs、nbohc等誘導(dǎo)缺陷，造成材料亞化學(xué)計(jì)量比（siox）x<2，研究表明激光通量越高、輻照發(fā)次越多，氧硅比越低，加速了氧缺陷的出現(xiàn)，由于氧缺陷對(duì)激光存在強(qiáng)吸收作用，從而造成激光損傷閾值降低。宏觀上，真空環(huán)境下由于氣體含量極少，熔石英窗口無(wú)法通過(guò)空氣熱對(duì)流有效傳遞能量，導(dǎo)致熱量積累，隨著激光脈沖數(shù)量的增加，激光損傷閾值整體存在下降趨勢(shì)。這兩方面的能量累積過(guò)程增加了熔石英的損傷風(fēng)險(xiǎn)，降低了熔石英的抗激光損傷能力。

3、光學(xué)元件是激光系統(tǒng)重要的組成部分，其質(zhì)量和穩(wěn)定性直接影響著激光系統(tǒng)的性能和壽命。在高功率激光系統(tǒng)中，光學(xué)元件長(zhǎng)期處于激光輻照環(huán)境下會(huì)逐漸產(chǎn)生損傷，理解和預(yù)測(cè)這種損傷的演化過(guò)程對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性和延長(zhǎng)元件使用壽命具有重要意義。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，如公開(kāi)號(hào)為cn115014718b的中國(guó)專(zhuān)利“一種激光輻照光學(xué)元件損傷的研究方法”公開(kāi)了一種通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究光學(xué)元件損傷的技術(shù)方案。該方法通過(guò)測(cè)定光學(xué)元件的損傷閾值，采用小于損傷閾值的輻照能量密度測(cè)定光學(xué)元件在激光長(zhǎng)期輻照下的壽命，運(yùn)用熒光光譜結(jié)合氦氖激光的變化判斷元件是否發(fā)生損傷，并對(duì)元件變形、應(yīng)力突變、裂紋等變化或損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5、然而，上述方法主要關(guān)注實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，存在以下不足：一是預(yù)測(cè)能力有限，無(wú)法提前預(yù)知光學(xué)元件在不同激光發(fā)次下的損傷趨勢(shì)；二是參數(shù)關(guān)聯(lián)不足，未建立光學(xué)元件物理特性參數(shù)與損傷發(fā)展的定量關(guān)系模型；三是環(huán)境局限性，主要針對(duì)常規(guī)環(huán)境，未考慮真空環(huán)境下光學(xué)元件的損傷機(jī)制差異；四是缺乏復(fù)合損傷機(jī)制分析，未深入分析光化學(xué)與光熱損傷的復(fù)合作用機(jī)制；五是實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)才能獲得損傷規(guī)律，效率較低。此外，該方法雖有提及熱累積效應(yīng)，但缺乏詳細(xì)的熱效應(yīng)定量分析模型。

6、因此，需要一種能夠基于物理參數(shù)預(yù)測(cè)光學(xué)元件損傷演化的方法，實(shí)現(xiàn)損傷的提前預(yù)測(cè)，減少實(shí)驗(yàn)周期，提高評(píng)估效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于激光輻照預(yù)測(cè)光學(xué)元件損傷演化的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中預(yù)測(cè)能力有限、參數(shù)關(guān)聯(lián)不足、環(huán)境適應(yīng)性差等技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件損傷演化的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：一種基于激光輻照預(yù)測(cè)光學(xué)元件損傷演化的方法，包括：

3、獲取光學(xué)元件的物理參數(shù)和激光輻照參數(shù)，所述物理參數(shù)包括氧硅比、透射率和吸收系數(shù)，所述激光輻照參數(shù)包括波長(zhǎng)、能量密度和重復(fù)頻率；

4、建立激光輻照損傷演化預(yù)測(cè)模型，包括：

5、基于所述物理參數(shù)和激光輻照參數(shù)，構(gòu)建多環(huán)境損傷預(yù)測(cè)模型，所述多環(huán)境損傷預(yù)測(cè)模型包括環(huán)境參數(shù)與損傷閾值的映射關(guān)系；

6、基于所述物理參數(shù)，構(gòu)建氧硅比-透射率-損傷閾值關(guān)聯(lián)模型，所述關(guān)聯(lián)模型表征物理參數(shù)隨激光發(fā)次的演化關(guān)系；

7、基于所述激光輻照參數(shù)，構(gòu)建熱－光－力多物理場(chǎng)耦合模型，所述耦合模型表征多物理場(chǎng)相互作用下的損傷機(jī)制；

8、通過(guò)所述多環(huán)境損傷預(yù)測(cè)模型、所述關(guān)聯(lián)模型和所述耦合模型，預(yù)測(cè)不同發(fā)次激光輻照后光學(xué)元件的損傷閾值演化，所述預(yù)測(cè)結(jié)果包括損傷閾值隨發(fā)次變化的趨勢(shì)曲線和臨界損傷點(diǎn)。

9、作為預(yù)選，所述多環(huán)境損傷預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建具體包括：

10、建立環(huán)境參數(shù)映射系統(tǒng)，將不同真空度、氣體組分與損傷參數(shù)的關(guān)系量化；

11、構(gòu)建溫度－壓力－輻照三維狀態(tài)圖，預(yù)測(cè)不同環(huán)境參數(shù)下?lián)p傷閾值的變化軌跡；

12、確定臨界狀態(tài)識(shí)別參數(shù)，用于判斷最易發(fā)生損傷的環(huán)境條件組合。

13、作為預(yù)選，所述氧硅比-透射率-損傷閾值關(guān)聯(lián)模型的構(gòu)建具體包括：

14、建立亞表面氧硅比梯度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)從表面至亞表面的氧硅比分布；

15、構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)－宏觀性能橋接系統(tǒng)，將微觀缺陷與宏觀光學(xué)性能關(guān)聯(lián)；

16、設(shè)計(jì)損傷閾值預(yù)測(cè)進(jìn)階模型，預(yù)測(cè)公式為：

17、，

18、其中，為n次脈沖后的損傷閾值，為單脈沖損傷閾值，n為脈沖發(fā)次，s為透射率參數(shù)，f(t,p）為溫度壓力修正函數(shù)，g(o:si）為氧硅比影響函數(shù)，為應(yīng)力影響函數(shù)。

19、作為預(yù)選，所述溫度壓力修正函數(shù)表示為：

20、，

21、其中，t為實(shí)際溫度，為參考溫度，p為實(shí)際壓力，為參考?jí)毫?，α和β為材料相關(guān)常數(shù)。

22、作為預(yù)選，所述氧硅比影響函數(shù)表示為：

23、，

24、其中，o:si為材料的氧硅比值，γ為材料相關(guān)常數(shù)。

25、作為預(yù)選，所述應(yīng)力影響函數(shù)表示為：

26、，

27、其中，σ為光學(xué)元件內(nèi)的應(yīng)力，為參考應(yīng)力，δ為材料相關(guān)常數(shù)。

28、作為預(yù)選，所述熱－光－力多物理場(chǎng)耦合模型的構(gòu)建具體包括：

29、建立熱累積效應(yīng)定量分析框架，計(jì)算多脈沖溫升和臨界熱累積條件；

30、構(gòu)建相變臨界點(diǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)，預(yù)測(cè)材料局部熔融、蒸發(fā)臨界條件；

31、開(kāi)發(fā)時(shí)空分辨熱累積效應(yīng)分析技術(shù)，模擬脈沖間熱擴(kuò)散過(guò)程。

32、作為預(yù)選，所述熱累積效應(yīng)定量分析框架包括：

33、單脈沖溫升計(jì)算：,

34、多脈沖溫升計(jì)算：?,

35、臨界熱累積條件判斷：

36、,

37、其中，為吸收能量，ρ為材料密度，c為比熱容，v為受影響體積，為特征脈沖數(shù)，n為脈沖發(fā)次，為臨界溫升。

38、作為預(yù)選，還包括：

39、基于所述損傷閾值演化趨勢(shì)曲線，建立多級(jí)預(yù)警機(jī)制，分級(jí)判斷損傷風(fēng)險(xiǎn)；

40、設(shè)計(jì)基于當(dāng)前損傷狀態(tài)的激光參數(shù)智能調(diào)整策略，最大化光學(xué)元件使用壽命；

41、構(gòu)建元件個(gè)體化表征技術(shù)，為不同光學(xué)元件提供定制化使用建議。

42、作為預(yù)選，還包括：

43、建立實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括：

44、開(kāi)發(fā)分層遞進(jìn)驗(yàn)證方案，從微觀參數(shù)到宏觀性能進(jìn)行多層次驗(yàn)證；

45、構(gòu)建誤差分析與校準(zhǔn)機(jī)制，識(shí)別預(yù)測(cè)誤差來(lái)源并動(dòng)態(tài)調(diào)整模型參數(shù)；

46、設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)反饋優(yōu)化系統(tǒng)，通過(guò)新增實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)持續(xù)改進(jìn)預(yù)測(cè)模型精度。

47、本發(fā)明提供的方法具有以下有益效果：

48、1.建立了基于物理參數(shù)的損傷預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光學(xué)元件損傷演化的提前預(yù)測(cè)，減少了實(shí)驗(yàn)周期，提高了評(píng)估效率；

49、2.構(gòu)建了多環(huán)境損傷預(yù)測(cè)模型，擴(kuò)展了預(yù)測(cè)方法的適用范圍，能夠適應(yīng)從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓到高真空、從低溫到高溫的各種環(huán)境條件；

50、3.建立了氧硅比-透射率-損傷閾值關(guān)聯(lián)模型，揭示了微觀物理參數(shù)與宏觀損傷特性的關(guān)聯(lián)機(jī)制，提高了預(yù)測(cè)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性；

51、4.構(gòu)建了熱－光－力多物理場(chǎng)耦合模型，全面考慮了各種物理場(chǎng)的相互作用，更加深入地分析了復(fù)合損傷機(jī)制；

52、5.設(shè)計(jì)了多級(jí)預(yù)警機(jī)制和智能參數(shù)調(diào)整策略，延長(zhǎng)了光學(xué)元件的使用壽命，提高了激光系統(tǒng)的可靠性。