高平均功率开关晶体热力学特性有限元分析

 基于有限元数值方法，就不同的光强分布模型以及电光晶体固定或自由的边界条件，模拟分析了KDP，DKDP，LiNbO₃，BBO开关晶体材料在高平均功率激光负载下的热力学特性。结果表明:激光作用数s后，温升分布基本与光强分布一致；晶体表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;晶体的力学边界约束对最大轴向位移及最大拉热应力的影响随着光斑填充因子的增大而增强;在相同的入射激光光源及相同的边界条件下,KDP上的温升最大，热畸变最严重，DKDP次之，而LiNbO₃和BBO具有较低的温升值或较低的热形变和热应力。     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。     

局部激光辐照下薄板结构的屈曲承载力分析北大核心CSCD

薄壁结构广泛应用于实际工程中,局部材料性能的变化、局部热应力等因素均影响结构的屈曲承载力。为考察局部升温对薄壁结构屈曲承载力的影响,通过激光辐照实现薄壁结构的局部快速升温。采用温度-位移耦合法进行非线性热屈曲分析,获得了激光功率密度、辐照光斑半径和薄板厚度对薄板热屈曲的影响;在此基础上采用弧长法分析轴向受压薄板结构在局部激光辐照下的整体屈曲承载力。数值结果表明:薄板结构的整体屈曲承载力随激光辐照时间的增加及辐照光斑半径的增大呈线性下降趋势,随薄板厚度的增加近似呈指数增大。     

片状热容激光器热效应有限元分析

 基于激光介质的非均匀内热源模型，利用有限元数值方法，模拟计算了热容模式下高功率激光二极管阵列(LDA) 重复脉冲泵浦片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:热容模式下，当增益介质不能够被全口径泵浦时，也会出现严重的热效应，介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中，介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随泵浦光斑尺寸缩小而增大；而当全口径泵浦时，介质表面热形变大大减弱，较小的拉应力存在于介质内部，而且泵浦光斑和介质的几何形状对热分布有很大影响。结果还表明，介质片表面变形和热光效应是产生波前畸变的主要原因，而热应力双折射产生的附加相移与激光介质的切割方向有关，它对光束产生较大的退偏作用，从而影响激光器的输出性能。理论模型得到了实验结果的验证。     

复合材料层合板在激光辐照下的应变测试与分析

对T300/AG80碳纤维复合材料层合板在激光辐照下的应变变化情况进行了测试。利用动态应变仪对不同半径激光光斑照射下的试件正面和背面的0,45,90三个方向的应变进行记录,通过对消除温升影响后的试验数据进行分析得知:各处应变随测试点到光斑中心的距离增大而减小;0方向应变最小,90方向应变最大,光斑辐照层合板5 s时,90方向应变值至少是0方向应变值的1.5倍。采用有限元分析软件对试验过程进行模拟,光斑外各处热应力随其到光斑中心距离的增大而减小。将模拟中得到的应变与试验过程中的测试值对比,得到温升影响造成的最大相对误差为16.9%.     

紫外准分子激光损伤典型光学材料的特性分析

根据已经建立的紫外准分子激光损伤典型光学材料的理论模型，研究了准分子激光对透明光学材料（石英玻璃）和非透明光学材料（K9玻璃）的损伤特性，并结合实验结果证实了理论模型的有效性。研究表明：在准分子激光对非透明光学材料辐照下，激光光斑半径越大，产生的热应力和温度越小；脉宽越小，产生的热应力越大；随着脉冲数的增加，温度和热应力都逐渐增大。值得注意的是，当重频增加至45 Hz以上时，熔融损伤阈值开始低于应力损伤阈值，这说明当重频增加到一定程度时，非透明光学材料将首先产生熔融损伤，而不再是应力损伤。在准分子激光对透明光学材料辐照下，杂质微粒的半径和掩埋深度对光学材料温度场分布有着重要影响。但当杂质半径和掩埋深度超过一定的数值时，杂质粒子的存在与表面温度并无联系。理论模型能够较好地解释石英玻璃前/后表面相同的初始损伤形貌特征。     

局部激光辐照下薄板结构的屈曲承载力分析

薄壁结构广泛应用于实际工程中,局部材料性能的变化、局部热应力等因素均影响结构的屈曲承载力。为考察局部升温对薄壁结构屈曲承载力的影响,通过激光辐照实现薄壁结构的局部快速升温。采用温度-位移耦合法进行非线性热屈曲分析,获得了激光功率密度、辐照光斑半径和薄板厚度对薄板热屈曲的影响;在此基础上采用弧长法分析轴向受压薄板结构在局部激光辐照下的整体屈曲承载力。数值结果表明:薄板结构的整体屈曲承载力随激光辐照时间的增加及辐照光斑半径的增大呈线性下降趋势,随薄板厚度的增加近似呈指数增大。     

激光辐照下高反射镜热变形问题的尺度律

基于热力解耦的热弹性模型,采用常用假设,通过方程分析法,导出了激光辐照下高反射镜热变形问题的尺度律。同时,还发现了对同一模型,当其他条件不变时,变形、温升、应力与激光功率密度之间具有线性关系。数值结果证明了该问题尺度律的成立及线性关系的正确性。该结论是利用缩比模型研究大尺寸反射镜在激光辐照下的热变形问题的依据,且为解决缩比模型设计、辐照条件设计和模型实验数据反推到原型等相关问题提供了参考准则。     

激光入射孔径对柱形腔靶辐照不均匀度的影响

 研究了激光入射孔径对柱形腔靶中 l=2阶靶丸辐照不均匀度的影响，计算得到了激光入射孔径对辐照不均匀度随时间变化的影响可以用源于某一固定点的一族曲线来描述。此固定点是由与激光光斑的位置决定的，与腔靶的半径和入射激光束的入射角有关，而与激光入射孔径的大小无关。辐照不均匀度随时间的变化是由激光光斑的辐射温度的变化和腔壁辐射温度的变化决定的，激光入射孔半径的大小影响着辐照不均匀度随时间变化的曲线的梯度，入射孔越大，曲线的梯度就越大。激光入射孔对l=2阶靶丸辐照不均匀度的影响与入射孔半径近似呈线性关系。     

1064 nm激光致熔石英损伤的数值模拟研究

为了研究1064 nm激光对增透熔石英的热应力损伤机理以及等离子体分布等效应。基于热传导和气体动力学理论，探究了毫秒激光对增透熔石英的热应力损伤和致燃损伤的理论模型，利用comsol软件模拟了1064 nm激光作用增透熔石英时材料内部的热损伤、应力损伤以及激光支持燃烧波，模拟结果表明在激光光斑半径区域内，温升较为明显，形成较大的温度梯度，激光作用区域受热膨胀，其余区域会对膨胀发生抵制，因此材料内部产生应力，其中上表面的径向应力、环向应力在激光光斑边缘附近达到最大值，应力损伤应该先从辐照中心点或激光光斑边缘附近产生，同时发现等离子体的传播是稳态的，燃烧波的最大速度发生在最初时刻，并随着扩散时间逐渐变低。     

采用解析法对Nd:YAG单晶光纤的温度场研究

采用解析法对Nd:YAG单晶光纤激光器热效应相关的光纤温度场分布进行研究。建立了Nd:YAG单晶光纤热模型,在单晶光纤所满足的边界条件下通过解析求解热传导方程,得到在高功率808 nm泵浦光抽运下产生946 nm激光的单晶光纤温度场分布,并与传统Nd∶YAG激光晶体的温度场进行比较,然后分别与同泵浦条件下的有限元数值方法的分析结果进行研究对比,最后分析泵浦光参数、单晶光纤参数等对温度场的影响。结果表明,功率为86 W的泵浦光入射至单晶光纤端面的最高温升仅为30.98℃,明显优于同泵浦条件下传统Nd∶YAG晶体的端面温升结果94.37℃,与有限元数值法得到的Nd:YAG单晶光纤19℃温升结果相比,该解析法结果更接近于实验的测量值31℃,能够更精确描述晶体光纤温度场。本文可对单晶光纤激光器热效应的精确研究提供一定参考,进而有利于提高单晶光纤激光器的性能。     

环形激光二极管抽运棒状激光器中瞬态温度和热应力分析

直接从激光二极管发光强度的角分布出发，采用光线追迹方法获得激光棒内的热沉积分布，在此基础上采用热传导模型和热力模型，比较了不同抽运功率、不同棒半径下达到稳态温度分布的时间，并且对稳态和瞬态热应力进行了详细模拟计算。结果表明，采用环形激光二极管阵列侧面抽运的棒状激光器中的热效应问题十分严重，不同的抽运结构参量下，温度分布不同；达到稳态所需时间随棒半径增大而增加，而不受抽运功率的影响；抽运功率越大，棒内温差增大，热应力也越大；热破坏主要集中于激光棒中心区域和表面区域。     

Analytical investigation into laser pulse heating and thermal stresses

Laser pulse heating of metallic surfaces results in rapid rise of temperature in the region irradiated by the laser beam. This in turn results in high temperature gradient in this region. The irradiated substrate material expands as a response to the temperature gradient. Consequently, high thermal stress levels are developed in the region of the high temperature gradient. In the present study, closed form solutions for temperature and stress fields due to a laser pulse decaying exponentially in time are presented. A Laplace transformation method is employed in the analysis. The resulting equations are non-dimensionalized with the appropriate parameters. It is found that temperature rises rapidly during the early heating period in the surface region. In this case, internal energy gain dominates the conduction losses from the surface vicinity. The thermal stress levels attain high values in the surface region. The stress wave developed is compressive and it propagates with a wave speed c₁ inside the substrate.     

Thermal effects in high-power Nd:YAG disk-type solid state laser

An investigation of thermal effects in a high-power Nd:YAG disk-type solid state laser pumped with different pump beam transverse profiles is carried out by numerical simulation based on the finite element method (FEM). Impact of the heat sink on the thermal effects is included in the simulation. The distribution of first principle stress, thermally induced birefringence, including the distribution and variation of the birefringence loss, are studied. The characteristics of the phase variation are analyzed with consideration of the temperature gradient, deformation, strain and thermal stress. Thermal lensing is explored as a function of pump power and of the radius pumped with different pump beam transverse profiles. The non-parabolic part of optical phase distortion is simulated. Furthermore, the characteristics of the bi-focus of the disk laser are also studied. Experiments on the maximum tensile stress distribution and depolarization loss are carried out. The presented calculations are in qualitative agreement with the experimental observations.     

平面光学镜低温温度场和热变形分析方法

在综合分析了温度场和热变形理论分析方法的基础上,提出了对空间光学系统中平面光学反射镜进行有限元分析具体方法;介绍了温度场特性经典理论,并对径向温度分布遵循二次规律的表达式作了简单推导;同时介绍了温度变化引起光学表面的Zern ike多项式法和用热力矩分析平面圆形板面形的方法;最后给出了用ANSYS和I-DEAS软件对联合光学元件热变形的计算流程。     

LDA侧面抽运棒状激光器热透镜效应的有限单元法分析

建立了激光二极管阵列端面抽运棒状激光介质的数值模型.考虑到介质与空气的对流换热和介质的热力学参量随温度的变化,根据经典热传导方程和热弹性方程,运用有限单元法,得出了棒状介质内瞬态温度、热应力和应变的分布.分析了热透镜焦距随抽运功率的变化规律,所得的规律与有关文献相符合.理论分析结果可为激光二极管阵列抽运固体激光器的结构优化设计和实验提供理论参考.     

端面抽运方形复合YAG温度场及热透镜研究

采用数值方法研究了方形截面复合Nd∶YAG激光晶体棒在端面抽运情况下的温度分布及热透镜效应,得到复合激光晶体内温度场的数值解和径向温度梯度引起的轴向传播光相位延迟分布ΔΦT(r),并与同条件下普通晶体的结果进行了比较.结果表明,吸收系数越大,两种晶体中最高温度相差也越大.采用复合晶体可以大幅度降低激光晶体内的温升,同时减小端面形变造成的透镜效应.复合晶体的ΔΦT(r)与普通晶体相似,且不满足对半径r的二次方关系.在rwp时,ΔΦT(r)相对于参考球面透镜的相位畸变Δφ随r的增大而急剧增大.     

激光窗口热透镜效应对光束质量的影响

 分析了高功率激光通过窗口时，引起的窗口热透镜效应及其对激光光束质量的影响。用冲量定理方法，推导了二维热传导方程的广义傅里叶级数解，然后按照平面热应力问题，运用有限元方法数值计算热变形。考虑热变形、折射率随温度变化，忽略光弹性效应，解出出光面的波前相差分布，讨论了远场光束质量。以空心环形光束为例，计算了熔融石英(SiO₂)和白宝石(Al₂O₃)两种常用窗口的温升分布、热变形、波前相差和光束质量，分析了冷却、辐照时间、光强分布的空间梯度和各种材料参数对光束质量的影响。     

激光二极管端面泵浦Yb∶YAG薄片激光器的热效应

通过激光二极管端面泵浦Yb∶YAG薄片工作特点分析,建立了符合实际情况的热模型.热模型考虑了介质薄片具有端面绝热、周边恒温冷却、后端面镀膜达到充分利用泵浦光能量等特点.分析并建构了Poisson方程新的求解方法,得出了Yb∶YAG薄片内部温度场以及泵浦端面热形变场的一般解析表达式.理论研究结果表明:若激光二极管泵浦功率为20 W、耦合到薄片泵浦面的泵浦光高斯半径为250 μm时,长度3 mm、半径1.5 mm的5.0at.%Yd:YAG薄片泵浦端面的最高温升为44.5℃,最大热形变量为0.83 μm.