“绿色”液体激光介质的热流场特性研究北大核心CSCD

选取掺钕四氟化钆钠(Nd3+:NaGdF4)纳米晶分散到二甲基亚砜作为"绿色"液体介质,构建单侧抽运和液体横流系统,使用ANSYS软件对液体介质稳定热流场分布进行模拟分析。结果表明:当流道形状、流动状态、壁面相同时,液体流场分布基本相同,泵浦光的频率对流场分布影响很小;液体介质入口的流速会影响流线分布,流速越快,流线越密;泵浦区域中,介质沿着液体流动方向温度逐渐升高;在液体流向变化小的区域,可获得较为均匀的温度分布。     

高重复频率水冷Nd:YAG激活镜放大器的温度特性

为解决高重复频率大能量激光放大器的热管理问题,采用数值模拟与实验分析的方法,对背面水冷Nd:YAG激活镜放大器的流体散热进行了研究.基于低雷诺数k-ε湍流模型,建立了流-固共轭传热多物理场藕合分析模型,对比分析了近壁面处理方法对流体流动、对流扩散和热传导过程及温度分布的影响,分析研究了不同冷却液流量和泵浦参数对流场特性、激光介质温度和波前分布的影响.数值模拟表明:激光介质的温度分布与固液边界层内的黏性作用密切相关,且冷却液的热扩散主要发生在100μm范围内;激光介质的热沉积分布中心对称,而温度分布沿水流方向不对称,最大温升位于出水口端且基本保持不变;增益介质前表面的温度分布与介质的波前分布随冷却液流量非线性变化,而随泵浦参数线性变化;实验结果与数值模拟符合较好.     

沉降分布孔隙率多孔介质模型及数值研究

研究沉降分布孔隙率多孔介质流动和传热,根据"O"形圈理论和现场测定确定孔隙率系数,建立坐标方向孔隙率分布函数;考虑流体密度变化,并引入Brinkman-Forchheimer的扩展Darcy模型,能量方程采用界面连续条件,建立沉降分布孔隙率多孔介质流动和传热求解模型.采用差分法对模型进行离散化,应用高斯-赛德尔方法迭代求解.数值分析表明:沉降分布孔隙率条件下多孔介质内流体流动速度在壁面附近较大,中心部位较小,壁面附近孔隙率的增大使得低流速区域减小,较高流速区域增大;当孔隙率小值时,温度按线性减小;当孔隙率大值时,温度在高低温壁面附近迅速减小,在中部减小较缓,热量按导热和对流共同传递;孔隙率增大能使平均怒谢尔数增大,对流换热作用增强.     

Nd:YAG薄片激光器热致波前畸变

 理论分析了激光二极管端面泵浦薄片Nd:YAG 激光器的激光介质热效应对波前相位分布的影响，给出了薄片激光器波前热畸变的计算公式。数值模拟了理想均匀泵浦及4阶超高斯泵浦下的波前分布，分析了介质厚度和泵浦均匀性与波前畸变量的关系。研究表明，介质越薄，激光泵浦光均匀性越好，泵浦功率密度越小，激光波前畸变越小；与介质厚度、泵浦功率密度相比，泵浦光光强分布对波前的影响更为显著。     

LD端面泵浦薄片激光器的温度和热应力分布研究

为了分析薄片激光器的热效应,建立了LD端面泵浦薄片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材料的热力学参数随温度的变化,根据经典热传导方程和热弹性方程,运用有限单元法,得出了介质内温度和热应力的时空分布,分析了温度和热应力与泵浦功率、换热系数和时间的变化规律。模拟结果表明:热破坏主要为前表面光斑外侧的拉伸破裂;温度和应力的上升时间和热恢复时间随泵浦功率的变化不是很明显,随换热系数的增大而减小,但随着换热系数的增加,温度和应力的变化越来越小。     

二极管泵浦激光器中泵浦光分布对激光器模式影响程度的计算方法

在激光器中,通常泵浦光呈不均匀分布,由此引起介质的增益也相应地出现不均匀分布,导致振荡光通过增益区时其分布发生变化。提出一种计算不均匀的泵浦光分布对于激光器内振荡光模式的影响程度,可以近似获得振荡光对原来场分布偏离的百分比的方法。在此基础上,对准连续运转的三向侧面泵浦激光器进行研究,分析不均匀泵浦光分布对振荡光场影响的规律。结果表明:当泵浦功率增加或谐振腔内损耗增加时,振荡光通过增益区时对原来分布的偏离程度也同时增加,呈单调变化关系;泵浦光不均匀分布对振荡光场的影响,与其沿振荡光轴向上的分布无关,仅仅取决于其在与振荡光垂直方向上的不均匀分布程度。通过计算还获得了此类效应的数量级,在2 000 W泵浦功率条件下,这种影响仅使振荡光偏离理想分布不到4%,而泵浦功率达到6 000 W时这种偏离则高达20%以上。     

LDA侧面泵浦薄片激光器的泵浦光和温度分布

建立了激光二极管阵列(LDA)环绕侧面泵浦复合薄片激光器的数值模型,LDA的快轴垂直于薄片表面并被压缩。依据LDA的输出光束特性,考虑到介质与空气的对流热交换和材料热导率的温度相关性,根据经典热传导方程,运用有限单元法,得出了薄片内的泵浦光和温度分布。分析了LDA个数、泵浦距离、吸收系数和光束发散角对薄片内泵浦光分布和吸收效率的影响规律,讨论了温度与泵浦功率、换热系数、冷却液温度和时间的变化规律,所得的有关规律与相关实验相符合。计算结果可为LDA泵浦固体激光器的结构优化设计和实验研究提供理论参考。     

二极管侧泵浦板条固体激光器的热效应研究

 用有限差分法对二极管侧泵浦板条激光介质的温度分布作了数值计算。在此基础上, 对不同条件下二极管侧泵浦激光器的最佳冷却方案进行了研究。用峰值功率为100W, 工作频率为100Hz的二极管泵浦Nd:YAG板条作了实验研究, 所得结果与计算符合较好。     

脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器时变热效应分析

建立了激光二极管阵列(LDA)侧面泵浦棒状Nd:YAG增益介质时变热效应理论计算模型。采用有限元Ansys软件模拟分析了脉冲LDA侧面泵浦大能量固体激光器的时变热效应特性。研究结果表明,所研究的脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器热效应具有时变特性,介质横截面内中心点处的稳态温度场分布随时间呈锯齿形周期变化,锯齿形变化频率为LDA泵浦频率,脉冲LDA泵浦参数对介质稳态温度场分布有较大影响。分析和计算了介质内热梯度、应力双折射以及激光晶体端面效应等导致的晶体热透镜焦距。计算表明,介质的热焦距主要来源于介质内温度梯度引起的热透镜焦距。     

斜抽运无机液体激光器的流场热分布

激光二极管斜抽运的多增益段串接的液体激光器能够明显地提高激光光束质量、获得较高的输出功率.针对斜抽运子增益段工作时所涉及的流动、传热和壁面耦合,建立了计算子增益段流场热分布的流-热-固耦合模型,应用有限单元法完成了其瞬态流场热分布的数值模拟.该方法排除了不精确的换热系数对计算结果的影响,使得换热系数不再是计算的先决条件,而只是计算结果之一,并且为评价流道形状、流速、吸收系数等因素对流场热的影响,以及进一步改进和控制液体激光介质的流场热分布,提供了可靠的分析方法.数值模拟研究表明:换热系数是空间位置的函数,     

板条固体激光器的三维瞬态热分布

本文建立了有限几何尺寸板条激光介质的三维温度分布模型.在普遍情况下,推导出温度分布的解析式.由此便于分析板条温度分布和泵浦参数、激光介质等的依赖关系.借助计算机进行的数值计算,证实了理论结果.     

LDA侧面泵浦固体激光器泵浦结构参数优化

为LDA侧面泵浦Nd∶YAG棒状固体激光器的优化设计、参数选取及后续试验提供了理论依据和参考,建立了环形侧面泵浦棒状介质泵浦光场分布数值计算模型,研究了LDA侧面泵浦固体Nd∶YAG激光器泵浦光场的分布特点。模拟分析了LDA的bar间距、玻璃管厚度、激光晶体半径等几个主要泵浦结构参数对泵浦光场分布的影响。通过对不同泵浦参数下泵浦光分布特性的数值计算,优化了LDA侧面泵浦固体激光器的泵浦结构参数,优化后的仿真结果表明:在泵浦距离为2 mm条件下,晶体直径为4 mm,玻璃管套筒厚度为1 mm,冷却水层厚度为1 mm时,泵浦光在晶体中心处强度相对值为40.8%,在晶体轴心附近分布比较均匀,且均匀分布区域相对较大。     

高功率薄片激光介质温度与应力数值模拟

Nd：YAG薄片激光介质一个表面采用二极管阵列泵浦，另一个表面冷却的工作方式，可以使薄片径向温度分布近似均匀，从而降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。针对Nd：YAG薄片激光介质的热效应问题建立了理论计算模型。分别计算了在不同泵浦条件下薄片的温度分布和应力大小，薄片泵浦条件变化与应力的关系，以及在Nd：YAG薄片与Cu冷却器之间增加与Nd：YAG热膨胀系数相近的介质层材料（复合金刚石）对应力影响的关系。     

LD阵列侧面泵浦棒状激光介质内的光场研究

建立了LD侧面泵浦激光介质内的光场分布数值模型。通过光线追迹方法,简化了介质对泵浦光折射的计算方式。利用Matlab软件数值模拟了泵浦光在介质内的归一化分布。提出获得高质量、高能量的激光输出参数的选取原则。当LD的束腰半径为1μm、LD的数量为40个、介质的半径为1.5mm、发光面到介质的泵浦距离为0.5mm、介质吸收系数在2cm-1～6cm-1之间时,泵浦光在激光介质内的增益分布较好。     

大口径LD泵浦的激光放大器热沉积特性

 通过分析LD阵列端面泵浦片状放大器的工作特点，建立了对增益介质Nd:YLF进行热特性研究的有限元模型。针对泵浦能量空间均匀分布、高斯分布、超高斯分布三种情况，计算出了LD泵浦功率56 kW，脉冲宽度520 μs，重复频率10 Hz状态下晶体瞬时3维温度和热应力分布。研究结果表明：由于脉冲工作方式，晶体各节点温度随时间呈锯齿形变化，经过一段时间后吸热和冷却效果达到平衡，介质温度呈周期性变化；在相同泵浦峰值功率条件下，超高斯泵浦能量分布引起的温升和热应力最小，其最大值分别为103.3 ℃和47.6 MPa；有效泵浦功率密度达到10 kW/cm²量级时，介质极可能发生热致断裂。     

脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器时变热效应分析北大核心CSCD

建立了激光二极管阵列(LDA)侧面泵浦棒状Nd:YAG增益介质时变热效应理论计算模型。采用有限元Ansys软件模拟分析了脉冲LDA侧面泵浦大能量固体激光器的时变热效应特性。研究结果表明,所研究的脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器热效应具有时变特性,介质横截面内中心点处的稳态温度场分布随时间呈锯齿形周期变化,锯齿形变化频率为LDA泵浦频率,脉冲LDA泵浦参数对介质稳态温度场分布有较大影响。分析和计算了介质内热梯度、应力双折射以及激光晶体端面效应等导致的晶体热透镜焦距。计算表明,介质的热焦距主要来源于介质内温度梯度引起的热透镜焦距。     

磁热耦合下血管对温度场分布的影响

结合血液流动的Navier-Stokes方程与人体组织的Pennes生物传热方程建立了球形肿瘤组织的多物理场耦合模型,研究了血管分布位置、血管半径和血液流速等因素对肿瘤组织温度场和治疗效果的影响。结果表明：在热疗过程中,血管会对肿瘤组织产生冷却效果;同时血管的半径和血流速度的变化也会影响肿瘤区域的温度场分布,随着血管半径和血流速度的增加,血管附近的温度值越低。此外,相比外部血管,肿瘤内部血管对肿瘤区域具有更明显的降温效果,对热疗效果的不利影响也更强。     

二极管双侧抽运横流连续液体激光系统性能模拟

为解决无机液体激光系统的热效应问题,采用激光二极管双侧抽运横向流动的Nd3 :POCl3:ZrCl4溶液以很好地减小热效应,实现液体激光系统高功率高光束质量输出。建立了液体激光理论模型,分析了工作参量对系统能量转换效率与介质热效应的影响;模拟了系统在不同吸收系数和不同流速下的能量转换效率,远场光斑分布以及激光束亮度分布。模拟结果表明:采用二极管作为抽运源可以获得很高的能量转换效率,而且光束质量较好;在给定抽运体积和抽运强度为800 W/cm2时,介质的吸收系数位于2.5~3.0 cm-1,流速约为25 m/s时,输出功率与光束质量实现最佳匹配,激光束亮度最高,系统性能达到最佳。     

吸收器水平管外降膜流动数值模拟研究

建立了吸收式制冷机组吸收器水平管外气液降膜流动数值模型,分析了布液高度、布液孔大小、水平管直径及液体入口速度对液膜流动特性的影响,探讨了不同液体入口温度下液膜表面的温度分布。结果表明:液体铺展过程中液膜前端出现小液滴的分离;液膜厚度随周向角的增加先减小后增加,液膜Y方向速度呈相反的变化趋势;随液体入口流速的增加,液膜厚度增加,管壁下方的"干区"面积随之增加;随布液孔孔径的增大,液膜厚度及Y方向速度增加;随布液高度及降膜管直径的增加,液膜厚度减小,Y方向速度增加;随周向角的增加,液膜表面温度逐渐降低,并随着温差的增加,液膜温度降低幅度较大。     

热容激光器激光介质的热力学数值模拟

为模拟激光介质的温度、热应力的分布和变化,建立了激光介质热力学计算模型.该模型从激光介质的瞬态导热微分方程出发,得到沿纵向的热沉积功率密度,并将其作为该微元段的热载荷,加载到该微元段的泵浦区.考虑热容值、热导率、热膨胀系数和弹性模量等与温度的关系,得到激光介质的温度分布和变化,以及热应力的分布和变化.为热容激光器的实验和设计提供参考依据.