激光辐照过程KDP晶体相变与应力演化模拟：损伤机理分析

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0166

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (10): 1823-1835.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0166

激光辐照过程KDP晶体相变与应力演化模拟：损伤机理分析

董浩茗¹^,²^,³(), 付威伶², 程曦月²^,³, 邓水全²^,³()

1.福州大学化学学院，福州 350108
2.中国科学院福建物质结构研究所，功能晶体与器件全国重点实验室，福州 350002
3.中国科学院大学福建学院，福州 350002

收稿日期:2025-07-29 出版日期:2025-10-20 发布日期:2025-11-11
通信作者: 邓水全，博士，研究员。E-mail:sdeng@fjirsm.ac.cn
作者简介:董浩茗（2001—），男，浙江省人，硕士研究生。E-mail:donghaoming@fjirsm.ac.cn
邓水全，中国科学院福建物质结构研究所核心特聘研究员、博士生导师。1995到1996年在瑞士日内瓦大学任客座科学家。1996到1998年在德国马普固体科学所任客座科学家，1998年在该所晋升为二级研究员，2004年晋升为一级研究员，Simon研究部理论组组长。2014年9月以中国科学院福建物质结构研究所百人计划方式引进回国，任研究员、课题组组长。2015年8月入选福建省百人创新人才。在马普所工作期间提出并建立了“超导平/陡带理论”，回国后主要从事材料光学性质的理论研究，提出并建立了“非线性光学原子响应理论”，揭示了稀土光功能材料发光热稳定性及发光热致移动现象的微观物理机制等一系列工作。担任科技部973计划项目子课题负责人，并承担“材料基因组”重点专项、中科院战略先导B等项目。
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFB3601501);国家自然科学基金(22031009);国家自然科学基金(62475265);功能晶体与器件全国重点实验室自主部署重点项目(GNJT-2025-ZD01);福建省自然科学基金(2023J01212)

Simulation of Phase Transition and Stress Evolution in Laser-Irradiated KDP Crystals: Analysis of Damage Mechanisms

DONG Haoming¹^,²^,³(), FU Weiling², CHENG Xiyue²^,³, DENG Shuiquan²^,³()

1. College of Chemistry，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China
2. State Key Laboratory of Functional Crystals and Devices，Fujian Institute of Research on the Structure of Matter，Chinese Academy of Sciences，Fuzhou 350002，China
3. Fujian College，University of Chinese Academy of Sciences，Fuzhou 350002，China

Received:2025-07-29 Online:2025-10-20 Published:2025-11-11

摘要/Abstract

摘要： 本研究系统探讨了磷酸二氢钾（KDP）晶体激光诱导体损伤与其四方-单斜相变之间的关联。基于热-力耦合模拟，定量分析了激光辐照下晶体的温度场与应力场分布特征。结果表明，激光辐照中心区域的峰值温度显著超过材料的相变临界温度，但激光诱导的热应力尚未达到引发塑性变形或结构损伤的临界阈值。通过相场模拟发现，四方-单斜相变过程中在相界处会产生显著的应力集中现象，其应力值超过KDP晶体的屈服强度，导致塑性变形发生。值得注意的是，模拟得到的高应力区分布与实验中观测到的特征性十字形损伤裂纹形貌高度吻合。进一步研究表明，随着温度持续升高或位移约束减弱，相变应力可超过材料的屈服强度甚至断裂极限，从而直接诱发裂纹萌生。本研究证实，四方-单斜相变导致的高应力是形成KDP晶体特征性十字形损伤的关键因素，为深入理解其激光损伤机制提供了新的理论依据。

关键词: KDP晶体; 激光诱导损伤; 四方-单斜相变; 相场建模; 相变应力

Abstract: This study systematically investigates the relationship between laser-induced bulk damage and the tetragonal-monoclinic phase transition in potassium dihydrogen phosphate （KDP） crystals. Through thermo-mechanical coupling simulations， the temperature and stress field distributions under laser irradiation were quantitatively analyzed. The results reveal that the peak temperature at the laser irradiation center significantly exceeds the critical phase transition temperature， while the laser-induced thermal stress remains below the threshold required for plastic deformation or structural damage. Phase-field simulations demonstrate that stress concentration occurs at phase boundaries during the tetragonal-monoclinic transition， surpassing the yield strength of KDP and initiating plastic deformation. Notably， the simulated high-stress regions exhibit remarkable consistency with the experimentally observed cross-shaped crack morphology. Further analysis indicates that as temperature increases or displacement constraints weaken， phase transition-induced stress can exceed both the yield strength and fracture limit， directly triggering crack formation. These findings confirm that high stress concentration caused by the tetragonal-monoclinic phase transition is the key factor in the formation of characteristic cross-shaped damage in KDP crystals， providing new theoretical insights into their laser damage mechanisms.

Key words: KDP crystal; laser-induced damage; tetragonal-monoclinic phase transition; phase-field modeling; phase transition stress

中图分类号:

O765

董浩茗, 付威伶, 程曦月, 邓水全. 激光辐照过程KDP晶体相变与应力演化模拟：损伤机理分析[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(10): 1823-1835.

DONG Haoming, FU Weiling, CHENG Xiyue, DENG Shuiquan. Simulation of Phase Transition and Stress Evolution in Laser-Irradiated KDP Crystals: Analysis of Damage Mechanisms[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(10): 1823-1835.

图/表 11

图1 KDP晶体几何模型示意图，其中激光光束沿z轴正方向入射

Fig.1 Geometric model of KDP crystal， with the laser beam directed along the positive z-axis

表1 KDP 晶体四方相与单斜相热膨胀系数的实验与计算结果

Table 1 Experimental and calculated results of thermal expansion coefficients for tetragonal and monoclinic phases of KDP crystal

Material	Thermal expansion， α^exp/（1×10^-5 K^-1）^［41］	Thermal expansion， α^cal/（1×10^-5 K^-1）
KDP crystal（Tetragonal）	2.61（⊥c）， 4.46（∥c）	4.25
KDP crystal（Monoclinic）		3.01

表2 KDP晶体的热力学性质［41?42］

Table 2 Thermodynamic properties of KDP crystal［41?42］

Material	Density， $ρ$ /（kg·m^-3）	Specific heat， $C p$ /（J·kg^-1·K^-1）	Thermal conductivity， $k$ /（W·m^-1·K^-1）
KDP Crystal	2338.0	857.0	1.34（⊥c）， 1.21（∥c）

表2 KDP晶体的热力学性质［41?42］

Table 2 Thermodynamic properties of KDP crystal［41?42］

Material	Density， $ρ$ /（kg·m^-3）	Specific heat， $C p$ /（J·kg^-1·K^-1）	Thermal conductivity， $k$ /（W·m^-1·K^-1）
KDP Crystal	2338.0	857.0	1.34（⊥c）， 1.21（∥c）

表3 热-力耦合模拟中的激光参数

Table 3 Laser parameters in thermo-mechanical coupling simulation

Parameter	Value
Incident laser power， P_in/W	1.4
Fractional thermal load， $ξ$	0.3
Waist radius of laser beam， $w p 0$ / $μ m$	75.0
Focal plane position of the laser beam， z₀/mm	0.255
Far-field half-angle of the laser beam， $θ p$	0.5
Absorption coefficient of KDP crystal， $α$ / $m - 1$	3（ $λ =$ 976 nm）

表3 热-力耦合模拟中的激光参数

Table 3 Laser parameters in thermo-mechanical coupling simulation

Parameter	Value
Incident laser power， P_in/W	1.4
Fractional thermal load， $ξ$	0.3
Waist radius of laser beam， $w p 0$ / $μ m$	75.0
Focal plane position of the laser beam， z₀/mm	0.255
Far-field half-angle of the laser beam， $θ p$	0.5
Absorption coefficient of KDP crystal， $α$ / $m - 1$	3（ $λ =$ 976 nm）

表4 KDP晶体的弹性刚度矩阵参数［49］

Table 4 Elastic stiffness matrix parameters of KDP crystal［49］

Material	Elastic stiffness tensor （tetragonal phase， Voigt notation）， $C i j k l$ /GPa
KDP crystal	$C 11$	$C 12$	$C 13$	$C 33$	$C 44$	$C 66$
KDP crystal	76.50	-6.27	14.94	56.40	12.48	6.21

表4 KDP晶体的弹性刚度矩阵参数［49］

Table 4 Elastic stiffness matrix parameters of KDP crystal［49］

Material	Elastic stiffness tensor （tetragonal phase， Voigt notation）， $C i j k l$ /GPa
KDP crystal	$C 11$	$C 12$	$C 13$	$C 33$	$C 44$	$C 66$
KDP crystal	76.50	-6.27	14.94	56.40	12.48	6.21

图2 四方-单斜相变相场模拟的几何构型示意图。（a）晶格变形模式示意图（γ角由90°变化至120°）；（b）二维计算模型；（c）三维计算模型

Fig.2 Schematic illustrations of geometric configurations for tetragonal-monoclinic phase-field simulation. （a） Lattice deformation pattern （γ angle varying from 90° to 120°）；（b） 2D computational model；（c） 3D computational model

图3 相变模拟验证结果。（a）~（c）四方-单斜相分布随时间演化（16、24、28 ns）；80 ns时刻四方相与单斜相的三维空间分布图（d）和二维投影图（e）

Fig.3 Validation results of phase transition simulation. （a）~（c） Temporal evolution of tetragonal-monoclinic phase transition process （16， 24， 28 ns）； 3D spatial distribution diagram （d） and 2D projection diagram （e） of tetragonal and monoclinic phases at 80 ns

图4 无杂质条件下KDP晶体的温度（a）及应力场（b）分布；Al杂质存在时KDP晶体的温度（c）及应力场（d）分布

Fig.4 Temperature （a） and stress field （b） distributions in pure KDP crystal； temperature （c） and stress field （d） distributions in Al-doped KDP crystal

图5 全位移约束条件下461 K时KDP晶体的相变与应力分布。（a）~（c）四方-单斜相分布随时间演化（0、100、200 ns）；（d）~（f）von Mises等效应力随时间变化（0、100、200 ns）

Fig.5 Phase transition and stress distribution in KDP crystal at 461 K under fully constrained displacement. （a）~（c） Temporal evolution of tetragonal-monoclinic phase distribution （0， 100， and 200 ns）；（d）~（f） temporal variation of von Mises equivalent stress （0， 100， and 200 ns）

图6 不同边界条件与温度组合下的von Mises等效应力分布。（a）461 K全约束边界200 ns结果；（b）468 K全约束边界148 ns结果；（c）461 K无约束边界86 ns结果

Fig.6 von Mises stress distributions under varying boundary and temperature conditions. （a） Fully constrained at 461 K （200 ns）；（b） fully constrained at 468 K （148 ns）；（c） unconstrained at 461 K （86 ns）

图7 第一主应力分布及应力分量演化。（a）461 K无约束条件下96 ns时的第一主应力分布；（b）487 K全约束条件下96 ns时的第一主应力分布；（c）487 K全约束条件下应力张量各分量最大值随时间演化

Fig.7 Distributions of first principal stress and evolution of stress components. （a） First principal stress at 96 ns （461 K， unconstrained）；（b） first principal stress at 96 ns （487 K， fully constrained）；（c） time evolution of maximum stress tensor components （487 K， fully constrained）

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激光辐照过程KDP晶体相变与应力演化模拟：损伤机理分析

Simulation of Phase Transition and Stress Evolution in Laser-Irradiated KDP Crystals: Analysis of Damage Mechanisms

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