激光等离子体中电子热流变化的数值模拟

利用二维相对论电磁粒子模拟程序研究了激光等离子体中电子热流在各向异性等离子体中的发展演化过程,提出了单位时间内等离子体临界表面上输运的能量与电子自由路程之间的函数关系,得到了用经典Spitzer-Harm理论来描述的电子热传导公式,探讨了经典电子热传导模型与被限制的自由热流随时间的变化情形。数值结果表明,强激光照射等离子体薄靶时的初始时刻电子热流迅速增大,但由于周边的自生磁场对电子的运动有限制作用,因此热流随时间缓慢地减少。对这些过程的研究对于电子热流的衰减和热输运等过程有重要意义。     

强激光对传输光学元件热效应的数值模拟研究

强激光通过反射镜、窗口等光学元件传输过程中，光学材料对激光会有微弱的吸收，由此引起光学元件的热畸变，影响传输效率和远场能量集中度。基于三维瞬态热传导方程和弹性应力-应变方程，研究了波长1.315μm非对称环形强激光束辐照下硅反射镜、白宝石窗口的温度、变形和应力的分布规律，特别研究了激光强度、激光输出时间、光束遮拦比、光强分布的空间梯度等对元件热效应的影响；还研究了波长3．8μm非对称空心矩形激光束辐照下氟玻璃窗口温度、变形和应力的分布规律。计算了变形对光束波前位相和光束质量的影响。     

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。     

超短激光照射下颗粒的散射效应

对两个纳米颗粒受超短激光照射时表面吸收光强的分布情况进行了研究。基于米散射理论和蒙特卡罗方法建立程序来模拟和追踪光子的运动轨迹,米散射理论主要用于确定光子的散射方向,运用兰贝特定律和解析解对模拟结果进行验证。通过对比材料为金和黑体时双颗粒的光强分布发现,颗粒的散射和激光照射宽度的增加会使颗粒相邻处的光强增大,颗粒底部的光强主要取决于颗粒的反照率大小以及散射光强的分布情况。     

周期信号调制色泵噪音驱动下单模激光光强关联函数的时间演化特性

采用周期信号调制色泵噪音驱动的单模激光模型,运用线性化近似方法研究了单模激光系统光强关联函数C(t)随时间的演化关系,分析了调制信号的振幅B、频率Ω等对光强关联函数随时间演化的影响. 发现在泵噪音自关联时间τ>>1的情形下,随着调制信号频率Ω、振幅B的增加,C(t)随时间的演化为单调衰减;在τ>>1的情形下,随着调制信号频率Ω、振幅B的增加,C(t)随时间的演化均为周期性振荡衰减.     

周期信号调制色泵噪音驱动下单模激光光强关联函数的时间演化特性

采用周期信号调制色泵噪音驱动的单模激光模型,运用线性化近似方法研究了单模激光系统光强关联函数C(t)随时间的演化关系,分析了调制信号的振幅B、频率Ω等对光强关联函数随时间演化的影响.发现在泵噪音自关联时间τ<<1的情形下,随着调制信号频率Ω、振幅B的增加,C(t)随时间的演化为单调衰减;在τ>>1的情形下,随着调制信号频率Ω、振幅B的增加,C(t)随时间的演化均为周期性振荡衰减.     

激光束光强分布对材料激光加热的影响

 对激光强度空间均匀分布光束、高斯、超高斯以及平顶高斯光束进行了分析比较,在激光功率与光斑半径相同条件下,计算了各种光束的峰值光强和光束填充因子与光束阶次的关系,给出了光强分布的表达式。并将不同空间分布的光束作为热源,耦合到材料热传导方程中,以数值计算说明了各种光束辐照下,2mm厚30CrMnSiA钢材料靶面不同的热效应。     

环形分布激光束引起光学窗口镜热变形理论分析

 用有限Hankel变换就常见的环形分布激光束情形，推导得到了激光束辐照透过窗口镜引起热传导温度场和热变形分布的理论解，以此计算结果与实验值相比较，分析了白宝石、石英两种窗口镜在激光辐照下的热变形情况。分析结果表明，在激光束辐照的4s时段内，温升场主要集中在激光束辐照的环形区内，在镜面内远未拉平，由此引起的厚度方向热膨胀变形也很不均匀。材料对激光的吸收系数和热膨胀系数以及热扩散率分别是决定热变形量值大小和空间分布的最主要的物性参数。     

激光照射金颗粒在散射效应下的相变传热

采用二维双温度模型结合散射作用所引起颗粒表面光强不均匀分布的结果,对单脉冲激光垂直照射金颗粒的相变传热进行研究,通过将界面能量平衡方程,成核动力学的界面追踪法相耦合来确定固液界面的位置并研究激光参数对烧结过程的影响.结果表明：当激光垂直照射金颗粒时,熔化现象主要发生在颗粒的两极且底部熔化开始时间早,熔化体积也比较小.激光的脉宽越短熔化开始时间越早,熔化体积越大.提高激光的能量密度,颗粒的熔化体积也随之增加.     

连续激光辐照下光学材料损伤阈值的光斑效应

实验发现，光学材料的激光损伤阈值对激光光斑大小有强烈的依赖关系。研究了连续激光和匀质材料相互作用的机制，针对小光斑情形的材料响应和大光斑情形的结构响应分别提出各自不同的物理模型来解释光斑效应。研究表明，材料响应中的光斑效应基于热传导引起的光斑区热弥散，边界条件不同，破坏阈值与光斑大小的依赖关系也不尽相同。     

激光束照射下内压柱壳热爆破数值模型

 建立了研究内压柱壳在激光束照射下的破坏实验的热弹塑性数值模型。采用了与应变速率有关的耦合热传导分析，考虑了材料物理性质随温度的变化，考虑了内压是预先加载，考虑了热变形对结构刚度和荷载的几何非线性效应；采用子结构方法把耦合热传导分析和热弹塑性分析的区域局限在一个较小的范围内。数值结果与文献[1]的实验大致吻合，这表明本文建立的数值模型可以有效地描述这种“热软化”破坏的全过程。     

Numerical modeling of the thermal lensing effect in a grazing-incidence laser

The numerical modeling of thermal lensing effect is investigated in a grazing-incidence laser. The deformation of the bounce face is introduced into the modeling for the first time, and the Gaussian distribution of the pump light and the anisotropic heat conduction are considered. The results indicate that the proportion of the deformation on the bounce face to the thermal lensing effect is as high as 80% for small grazing-incident angle of 5°. The thermal lensing effect sensitively depends on the pump power, grazing-incident angle and the pump distribution in a grazing-incidence bounce geometry laser.     

激光辐照下旋转柱壳温度场的数值模拟

 采用有限元方法数值模拟在连续激光辐照下旋转柱壳温度场的变化和分布情况，并分析了热性能参数对温度场造成的影响，同时还比较分析了不同旋转频率对柱壳温度场分布的影响。结果表明，激光作用下旋转柱壳的温升大大低于静止柱壳的温升, 外表面温度呈现出与旋转频率相符的周期性上升过程,而内表面温升由于热传导的原因在较小频率下才表现出这种周期性，当频率增大到一定值时,内表面温升不出现周期性的台阶而是曲线上升。     

激光诱导充压柱壳破坏模式与参数阈值分析

通过数值计算模拟了激光诱导充压柱壳的热力破坏效应,研究了典型结构的动态爆裂过程,获得的破坏模式与实验结果基本一致。给出了三类典型破坏模式及其对应的参数范围,探讨了各类破坏模式的形成机理,并分析了不同光斑尺寸、壳体厚度条件下热软化效应对破坏内压阈值的影响,以及预内压与破坏时间的关系。研究结果表明:光斑半径越大、热软化程度越高,柱壳的破坏内压阈值越低,且破坏内压阈值随着壳体厚度的减小呈线性下降;给定激光参数和壳体参数下破坏时间随预充内压增大而减小并呈二次函数关系。给出了一种通过热软化程度预估激光诱导充压柱壳破坏时间的方法。     

强激光加热旋转薄柱壳的参量选择分析

为了把激光加热静止圆柱壳的实验测量结果应用到旋转圆柱壳的激光参量估计中,研究了旋转圆柱壳的激光加热效率。用积分变换法得到了旋转圆柱壳的温度分布,分析了最大温升点相对激光峰值强度点的滞后现象。基于静止圆柱壳和薄壳假设,导出了旋转圆柱壳激光加热效率及估计辐照时间的表达式。对于旋转金属圆柱壳,最大温升点相对激光峰值强度点的滞后角和激光加热效率取决于无量纲参量DR(柱壳半径R与束斑半径r0之比)、DL(横向热扩散尺度4ατL与束斑半径r0之比)及DM(加热时间τL与柱壳旋转频率fR的乘积)。达到相同的最大温升时,旋转圆柱壳的激光辐照时间和静止圆柱壳的激光辐照时间之间存在与激光功率无关的非线性关系,而激光功率决定了所需的绝对激光辐照时间。     

纳秒级脉冲激光诱导Zn掺杂过程中GaN/Al2O3材料的温度分布及热形变解析分析

分析了纳秒级脉冲激光作用下GaN的激光诱导Zn的掺杂过程.利用简化的一维模型，给出一种比较直观的脉冲激光辐照下GaN/Al₂O₃材料温度分布的解析形式，得到了GaN材料表面温度与激光辐照时间的关系以及材料形变与深度的关系.在激光脉冲作用时，GaN材料表面的温度与辐照时间的平方根成正比.脉冲过后，材料温度分布梯度和热形变分布随深度发生变化，接近表面的温度梯度最大，热形变量也最大.而在连续脉冲作用时表面的温度呈锯齿状不断升高. 关键词： 激光诱导 2O₃')" href="#">GaN/Al₂O₃ 温度分布 热形变     

强激光辐照下窗口材料靶传热及热应力破裂的解析分析

用有限Ｈａｎｋｅｌ积分变换法对轴对称强激光束辐照下平面薄靶（或薄膜）传热及热应力分布进行了解析推导，得到了随时间演变的温度场及相应的热应力场的解析解。对比有关实验，对强激光束辐照窗口材料（例如ＭｇＦ２晶体、Ｋ９玻璃）靶引起其脆性热应力破裂进行了分析，详细讨论了激光强度、激光－靶能量耦合系数、辐照时间及光斑尺寸等因素对靶的破坏的影响。     

脉冲强激光辐照下材料响应的非傅里叶效应

 研究了在多脉冲强激光辐照下靶材的热传导与热冲击特性。基于非傅里叶导热定律和热弹性理论,推导出多脉冲激光辐照下靶材温度场和热应力场的解析式;结合适当的边界条件,以不锈钢靶材为例,利用有限差分法和Matlab计算得到了多脉冲强激光辐照下靶材内部过余温度随时间和深度演化情况以及内部热应力的演化规律。计算结果表明：多脉冲激光辐照下靶材热响应在离边界不同截面处温度波形变化出现延迟性,其滞后性能与弛豫时间有关;非傅里叶解中应力波的波前十分陡峭,具有明显的热冲击性。     

端面抽运激光晶体热形变及温度场分布研究

用有限元方法研究了端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的温度和端面热形变分布规律.研究表明,激光晶体的端面热形变分为端面伸长形变和鼓出形变两种,晶体的热形变透镜效应是由鼓出形变引起的.在端面抽运的Nd∶YAG晶体中采用第三类热传导边界条件,实验测量了晶体的端面伸长和端面鼓出形变,结果与理论分析相一致.