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离子束修形中光学元件表面热量沉积数值模拟

袁征 戴一帆 解旭辉 周林

离子束修形中光学元件表面热量沉积数值模拟

袁征, 戴一帆, 解旭辉, 周林
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  • 根据Sigmund溅射能量沉积理论建立了低能离子入射光学元件引起的能量扰动层厚度模型.理论推导了离子束倾斜入射时光学元件表面的束流密度, 并建立了低能离子束对光学元件的热量沉积模型.采用Monte Carlo方法模拟了低能离子与熔石英光学表面的相互作用.分析了离子能量、离子类型、入射角度等参数对光学元件热量沉积和扰动层深度的影响规律.以离子束沉积在工件的能量作为热源, 采用有限元分析软件ANSYS模拟了离子束入射工件的温度场分布、温度梯度场分布和温度应力分布.入射表面温度和热梯度呈高斯分布, 束斑中心最高并向工件边缘逐渐减小.入射表面束斑区域受热膨胀, 其膨胀受到外环区域的制约, 从中心区域到大约束斑半峰值半径的区域, 所受环向应力为压应力, 在大致束斑半峰值半径以外区域为拉应力.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:91023042, 51105370)资助的课题.
    [1]

    Marcel D, Michael Z, Frank A 2010 Proc. SPIE 7591 75910Y

    [2]

    Shanbhag P M, Feinberg M R, Sandri G 2000 Appl. Opt. 39 599

    [3]

    Fujiwara K, Pahlovy S A, Miyamoto I 2011 Microelectronic Eng. 88 2527

    [4]

    Gailly P, Collette J P, Renson L, Tock J P 1999 Proc. SPIE 3739 124

    [5]

    Jiao H F, Cheng X B, Lu J T, Bao G H, Liu Y L, Ma B, He P F, Wang Z S 2011 Appl. Opt. 50 C309

    [6]

    Park J H, Lee K S, Kim J N 1998 J. Phys.: Condens. Matter 10 9593

    [7]

    Olivier B. Duchemin 2001 Ph. D. Dissertation (Pasadena: California Institute of Technology)

    [8]

    Sigmund P J 1973 Mater. Sci. 8 1545

    [9]

    Liu J S 1995 The Technology and Application of Ion Beam (Beijing: National Defence Industry Press) p50 (in Chinese) [刘金声 1995 离子束技术及应用(北京: 国防工业出版社)第50页]

    [10]

    Wu D, Gong Y, Liu J Y, Wang X G 2005 Acta Phys. Sin. 54 1636 (in Chinese) [吴 迪, 宫 野, 刘金远, 王晓刚 2005 物理学报 54 1636]

    [11]

    Wu D, Gong Y, Lei K M, Liu J Y, Wang X G, Liu Y, Ma T C 2010 Acta Phys. Sin. 59 4826 (in Chinese) [吴 迪, 宫 野, 雷凯明, 刘金远, 王晓刚, 刘 悦, 马腾才 2010 物理学报 59 4826]

    [12]

    Gong Y, Zhang J H, Wang X D, Wu D, Liu J Y, Liu Y, Wang X G, Ma T C 2008 Acta Phys. Sin. 57 5095(in Chinese) [宫 野, 张建红, 王晓东, 吴 迪, 刘金远, 刘 悦, 王晓刚, 马腾才 2008 物理学报 57 5095]

    [13]

    Hansel T, Nickel A, Schindler A 2008 Optical Fabrication and Testing (OFT) JWD6

    [14]

    Wang G H 1988 Physics of Reciprocity Between Particle and Solid (Beijing: Science Press) p7 (in Chinese) [王广厚 1988 粒子与固体相互作用物理学(北京:科学出版社)第7页]

  • [1]

    Marcel D, Michael Z, Frank A 2010 Proc. SPIE 7591 75910Y

    [2]

    Shanbhag P M, Feinberg M R, Sandri G 2000 Appl. Opt. 39 599

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    Fujiwara K, Pahlovy S A, Miyamoto I 2011 Microelectronic Eng. 88 2527

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    [6]

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    Olivier B. Duchemin 2001 Ph. D. Dissertation (Pasadena: California Institute of Technology)

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    Hansel T, Nickel A, Schindler A 2008 Optical Fabrication and Testing (OFT) JWD6

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  • [1] 朱洪涛, 楼祺洪, 漆云凤, 马海霞, 董景星, 魏运荣. 钛宝石激光器端面抽运Nd:YAG陶瓷激光器热沉积理论和实验研究. 物理学报, 2005, 54(12): 5648-5653. doi: 10.7498/aps.54.5648
    [2] 朱洪涛, 楼祺洪, 漆云凤, 董景星, 魏运荣. LD侧面抽运Nd:YAG陶瓷激光器运转条件下归一化热参数优化理论及实验研究. 物理学报, 2006, 55(10): 5221-5226. doi: 10.7498/aps.55.5221
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    [4] 楼祺洪, 周 军, 漆云凤, 董景星, 魏运荣, 朱洪涛. 千瓦级双包层光纤激光器冷却方案设计理论和实验研究. 物理学报, 2008, 57(8): 4966-4971. doi: 10.7498/aps.57.4966
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-04-16
  • 修回日期:  2012-06-14
  • 刊出日期:  2012-11-20

离子束修形中光学元件表面热量沉积数值模拟

  • 1. 国防科技大学机电工程与自动化学院, 长沙 410073
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:91023042, 51105370)资助的课题.

摘要: 根据Sigmund溅射能量沉积理论建立了低能离子入射光学元件引起的能量扰动层厚度模型.理论推导了离子束倾斜入射时光学元件表面的束流密度, 并建立了低能离子束对光学元件的热量沉积模型.采用Monte Carlo方法模拟了低能离子与熔石英光学表面的相互作用.分析了离子能量、离子类型、入射角度等参数对光学元件热量沉积和扰动层深度的影响规律.以离子束沉积在工件的能量作为热源, 采用有限元分析软件ANSYS模拟了离子束入射工件的温度场分布、温度梯度场分布和温度应力分布.入射表面温度和热梯度呈高斯分布, 束斑中心最高并向工件边缘逐渐减小.入射表面束斑区域受热膨胀, 其膨胀受到外环区域的制约, 从中心区域到大约束斑半峰值半径的区域, 所受环向应力为压应力, 在大致束斑半峰值半径以外区域为拉应力.

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