[发明专利]一种考虑应力集中的脆性材料光学元件激光毁伤评判方法

说明书

本发明公开了一种考虑应力集中的脆性材料光学元件激光毁伤评判方法，其包括以下步骤：确定强激光辐照目标靶材元件类型，获得材料断裂强度参量；采用显微镜对光学元件表面或亚表面缺陷点形貌和尺寸进行检测，获得缺陷点的横向尺寸w和纵向尺寸d；确定靶激光功率密度，并确定激光波长和辐照时间，对于脉冲激光，进一步确定脉冲宽度和频率；基于光学和热力学理论，建立缺陷结构诱导光学材料内部应力集中的仿真模型，对比分析激光作用区域内不同形状和尺寸的缺陷结构所引起应力大小；选取材料内部应力最大的数值与材料断裂强度参量对比，根据脆性材料断裂准则，评判该激光参数辐照下元件毁伤失效状态。本发明方法可靠，指导性强。

技术领域

本发明属于激光毁伤技术领域，涉及一种考虑应力集中的脆性材料光学元件激光毁伤评判方法。

背景技术

随着武器装备研发技术的不断发展，作为新概念武器之一的激光武器，其发展应用逐渐成为世界各国武器装备发展重点。世界各国都将激光武器作为其提升威慑力和打击能力的重要手段。激光武器是一种采用高能激光束直接毁伤目标的定向能武器，具有攻击速度快、定位准确、无后坐力以及费用低廉等特点，随着新型远程精确无人装备的发展，激光武器正在广泛地投入到现代战争中。但是由于激光武器对输出能量要求非常高，现阶段激光武器体积和重量都非常庞大，为后续武器装备轻量化小型化发展的一大障碍。

为了对激光武器性能参数进行优化设计，需要对其毁伤威力做出准确有效地评估，现阶段已经提出了热扩散、热烧蚀等理论评判方法，能够对金属、塑料等典型目标强激光辐照下的毁伤特性进行分析。然而精确制导武器光学器件窗口元件一般采用高强度抗冲击光学材料，传统理论计算方法对于这种典型的脆性材料的激光毁伤评判结果存在较大误差。这主要是由于相较于热毁伤，脆性材料内部力学特性往往会对元件失效扮演更为重要的角色。另外这种光学元件一般通过超精密研磨抛光等加工工艺制备，虽然精加工表面粗糙度可达亚纳米量级，但是加工表面或亚表面会不可避免地残存一些结构性缺陷，这些缺陷更是会加剧元件内部应力集中进而增加材料断裂失效风险。在元件激光毁伤领域中，目前还未实现的脆性材料光学元件高置信度激光毁伤评判问题。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提出一种考虑应力集中的脆性材料光学元件激光毁伤评判方法，通过计算元件内部局部最大应力，根据脆性材料断裂准则，可以更为准确地评判光学元件失效状态。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种考虑应力集中的脆性材料光学元件激光毁伤评判方法，包括以下步骤：

步骤1.确定强激光辐照目标靶材元件类型，对于脆性光学材料，通过理论或者实验的方法获得其断裂强度参量；

步骤2.采用显微镜对光学元件表面或亚表面缺陷点形貌和尺寸进行检测，获得缺陷点的横向尺寸w和纵向尺寸d；

步骤3.通过激光大气传输等相关理论或实验方法获得到靶激光功率密度，并确定激光波长和辐照时间，如果是脉冲激光，还需要确定脉冲宽度和频率；

步骤4.基于光学和热力学理论，建立缺陷结构诱导光学材料内部应力集中的仿真模型，对比分析激光作用区域内不同形状和尺寸的缺陷结构所引起应力大小；

步骤5.选取脆性光学材料内部应力最大的数值与材料断裂强度参量对比，根据脆性材料断裂准则，评判该激光参数辐照下元件毁伤失效状态。

进一步地，所述步骤4的具体过程如下：

4.1、光学元件缺陷附近能量密度分布求解：

由于元件缺陷一般远小于激光光斑尺寸，缺陷区域激光简化为均匀时谐平面电磁波作为入射激励，激发电磁波在元件内部的传输方程为：