1.06 μm连续激光辐照TiO2/SiO2/K9薄膜元件温升规律研究

利用1．06μm连续激光在不同强度下辐照TiO2／SiO2／K9薄膜元件，实验中用红外热像仪测量激光辐照在TiO2／SiO2／K9元件表面引起的温升随时间的变化，通过数据处理，获得激光辐照区域最高温度随辐照时间的增加而增加。同时，给出材料温升随材料发射率的变化关系。并用程序模拟不同激光强度下薄膜温度场的分布，通过实验测量数据校正数值模拟计算结果，给出TiO2／SiO2／K9薄膜元件温度随激光辐照强度和辐照时间的变化规律。并且获得在薄膜厚度方向：薄膜表面温度最高，基底与薄膜接触处温度最低；沿径向：激光辐照中心温度最高，边沿温度最低。     

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。     

光动力治疗中热效应的理论分析与计算

基于Pennes传热方程，从理论上分析了光动力治疗中激光作用所引起的组织温升的变化.结果表明，激光照射在生物组织内形成热源，该热源在一维生物组织空间引起组织的温升一般随时间呈指数形式增大，随激光照射处的距离呈指数减少.激光照射生物组织产生热效应，存在一个最小阈值光剂量，仅当照射的激光剂量大于阈值光剂量时，才能产生热效应.阈值光剂量大小由生物组织的光学参量和热物性参量决定，并随激光照射处的距离呈指数增加     

1.06μm连续激光辐照TiO_2/SiO_2/K_9薄膜元件温升规律研究

利用1.06μm连续激光在不同强度下辐照TiO2/SiO2/K9薄膜元件,实验中用红外热像仪测量激光辐照在TiO2/SiO2/K9元件表面引起的温升随时间的变化,通过数据处理,获得激光辐照区域最高温度随辐照时间的增加而增加。同时,给出材料温升随材料发射率的变化关系。并用程序模拟不同激光强度下薄膜温度场的分布,通过实验测量数据校正数值模拟计算结果,给出TiO2/SiO2/K9薄膜元件温度随激光辐照强度和辐照时间的变化规律。并且获得在薄膜厚度方向:薄膜表面温度最高,基底与薄膜接触处温度最低;沿径向:激光辐照中心温度最高,边沿温度最低。     

激光辐照下金属／炸药温度场的计算

 用有限元模型分析了激光辐照下金属/炸药双层材料的温度分布,得到了炸药表面中心温升与激光强度、光斑尺寸以及激光作用时间的关系,还得到了激光对金属/炸药装置点火的初步规律,分析了亚音速气流的对流换热对靶面温度场的影响。     

重复脉冲泵浦管状固体激光器的介质温升

 对重复脉冲泵浦的管状YAG激光器的3维温度分布进行了深入研究，计算模拟了管状介质在不同时刻的3维动态温升分布。计算结果表明，泵浦初始阶段，介质中各点的瞬态温升均随泵浦脉冲个数呈锯齿形增长，最大温升点的位置由介质内壁随时间逐渐向介质内部移动；经过大约490个脉冲泵浦后，介质内的瞬态温升最终随时间呈重复周期性变化，最大温升点将不再移动。当温升分布呈重复周期性变化后，激光管中心部分的温升较大，内外壁的温升较小，且外壁温升低于内壁温升。     

热容激光器激光输出特性的数值模拟

热容激光器在激射过程中，激光介质的温度随工作时司升高，导致热容激光器具有特殊的激光输出特性。建立了描述热容激光输出特性的理论模型，给出了输出功率随激光介质温升及工作时间的变化关系。     

激光时空分布对钢靶温度场及热软化的影响

 用有限元模型数值模拟了能量和作用时间相同而时空分布不同的连续波激光辐照下，带涂层钢靶的温度场和热软化分布。结果表明，光强空间分布不同时，靶后表面温度分布虽有不同程度的差别，但材料中部的热软化差别很小，仅热软化的范围略有改变；光强时间分布不同时，靶面温升的历史不同，但最终温度和温度分布都趋于一致。模拟分析结果与实验结果一致。     

激光辐照金属板材的温升和升温率

从光子与声子相互作用机制出发,导出金属材料的能量吸收速度;解热传导方程,求出激光辐照下金属板材料的温度分布;讨论了激光辐照时间、材料性质等对金属板材温升和升温率的影响。     

切向气流对激光加热材料的影响

 在重复频率YAG激光加载下，研究了30CrMnSiA钢片分别处于空气自然对流和切向强迫气流环境中不同的温度响应。实验用红外热像仪对靶前表面的温度进行了实时诊断，结果表明，在激光作用下，靶材的温升与靶前表面的对流换热状况有较大的关系，当靶面存在马赫数为0.1左右的切向气流时，材料的温升曲线明显低于靶处于空气自然对流环境下的温升曲线，气流与靶面的对流换热使得材料的激光加工所需能量或功率增加。这与应用热边界层换热动力学理论得到的结论一致。     

喷雾冷却的热逆转现象及其传热强化特性

针对高热流密度激光介质散热问题,利用实验方法研究了以十二烷基硫酸钠水溶液作为工质的喷雾冷却传热特性。结果表明,在特定的热流密度范围内,随着热流密度的增加,加热面温度不升反降,称之为热逆转。热逆转现象对对流换热系数的提升作用可高达94.0%,提升大小与热流密度有关。热逆转对应的热流密度区间为80～130 W/cm2,与浓度关系较小。热逆转现象与实验过程有关,该现象仅在热流密度逐渐升高的过程中出现,降低和任调热流密度过程中未发现此现象。热逆转具体原因还有待研究。     

?500 mm阵列透镜波前采样器的研制

设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统。在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度。利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合。实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性。     

等离子体初始密度对激光支持爆轰波特性的影响

采用守恒元求解元方法,对描述激光支持爆轰波等离子体流场演化的二维轴对称流体动力学控制方程组进行了数值模拟计算,给出了不同时刻点的等离子体压强、密度、温度、速度及对激光吸收系数的空间分布,比较了初始密度不同的情况下等离子体演化的不同特点。计算结果表明,等离子体初始密度较大时,等离子体对激光的吸收系数较大,为了增强激光能量与靶面的耦合,应合理控制靶面等离子体密度、激光脉宽及脉冲间隔。     

光斑尺寸对光学薄膜元件温升的影响

 实验测量了波长1 064 nm， 10 kHz高重复频率激光辐照下在白宝石、石英玻璃、K9基片上制备的Ta₂O₅/SiO₂高反膜的温度变化，有限元分析的结果与实验结果相一致。用ANSYS程序计算了不同光斑直径、相同功率激光和相同功率密度激光辐照下薄膜元件温升的变化。结果表明：相同功率激光辐照光学薄膜元件时，光斑大小只影响激光辐照点的温升，对基板温升没有影响。基板温升只与激光功率有关，激光功率越大，基板温升越大。相同功率密度激光辐照光学薄膜元件时，光斑越大，激光辐照点温度及基板温度均越高。从激光损伤的热效应考虑，小光斑激光辐照时，光学薄膜的激光损伤阈值较高。     

Simulation of elastic displacement of surface during laser short pulse heating of gold

The laser short pulse heating initiates nonequilibrium heating of the substrate material, which in turn results in the thermal stresses developing in the region below the surface. The surface temperature can be measured possibly through the monitoring of the resulting surface displacement. This requires in detail investigation into the surface displacement and surface temperature rises across the heated spot during the laser short pulse heating process. In the present study, the laser short pulse heating of gold surface is considered and the temperature rise at the surface and elastic displacement of the surface are investigated. The spatial and temporal distributions of surface displacement and surface temperature are predicted and the elastic response of the substrate material due to temperature rise is explored. It is found that the temporal and spatial distributions of the surface displacement do not follow the temperature rise at the surface. Consequently, care should be taken when measuring the temperature rise at the surface by means of monitoring the surface displacement during a laser short pulse heating process.     

THz电磁波在时变非磁化等离子体中的传播特性研究

本文建立了时变非磁化等离子体平板的一维模型,并采用时域有限差分(FDTD)方法对太赫兹(THz)电磁波在时变等离子体中传播时的反射、透射系数及吸收率进行了计算.然后根据计算结果分析了时变等离子体的上升时间、电子密度、温度以及等离子体平板厚度等参数对不同频段THz波在等离子体中传播特性的影响.分析结果表明:THz波在时变等离子体中传播时,其反射系数受等离子体电子密度和上升时间的影响较大;而吸收率则随着上升时间的减小、电子密度及平板厚度的增加而增大;此外,THz电磁波能够穿透量级为1020m-3的高密度等离子体层,可以作为再入段飞行器通信以及高密度等离子体诊断的理想工具.     

Interaction of gold nanoparticles with nanosecond laser pulses: Nanoparticle heating

Theoretical and experimental results on the heating process of gold nanoparticles irradiated by nanosecond laser pulses are presented. The efficiency of particle heating is demonstrated by in-vitro photothermal therapy of human tumor cells. Gold nanoparticles with diameters of 40 and 100 nm are added as colloid in the cell culture and the samples are irradiated by nanosecond pulses at wavelength of 532 nm delivered by Nd:YAG laser system. The results indicate clear cytotoxic effect of application of nanoparticle as more efficient is the case of using particles with diameter of 100 nm. The theoretical analysis of the heating process of nanoparticle interacting with laser radiation is based on the Mie scattering theory, which is used for calculation of the particle absorption coefficient, and two-dimensional heat diffusion model, which describes the particle and the surrounding medium temperature evolution. Using this model the dependence of the achieved maximal temperature in the particles on the applied laser fluence and time evolution of the particle temperature is obtained.     

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。     

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。     

切向气流对激光辐照树脂基复合材料的影响

 为了考察切向强迫气流对激光辐照下树脂基复合材料热响应的影响,基于边界层换热理论,研究了切向气流与靶面的对流换热系数和热分解气体对表面热交换的覆盖效应,并用有限差分法对激光辐照下树脂基复合材料的1维热响应模型进行数值求解。数值计算表明：高速切向气流的存在会加速靶材表面与外部环境的热交换,从而明显降低激光对靶材的加热效率;边界层换热理论给出的对流换热系数和覆盖因子是合理有效的,适用于数值模拟切向气流对激光辐照下树脂基复合材料热响应的影响;向靶材表面溢出的热分解气体对靶材表面与外部环境的热交换有一定的抑制作用,但影响较小,基本可以忽略不计。