脉冲激光辐照TiO2/SiO2薄膜热效应研究

 采用1.06 μm单脉冲激光在不同能量密度下辐照特殊光电系统中典型薄膜光学元件，理论分析了激光辐照薄膜元件产生的温度场和热应力场，在此基础上建立了激光辐照多层薄膜的物理模型，计算软件使用ANSYS软件的热分析模块对激光辐照薄膜元件产生的温度场和热应力场进行了模拟，分别给出不同激光能量密度下薄膜表面光斑中心的温度场、径向温度场和轴向温度场分布；同时给出不同能量密度下薄膜的轴向、径向和环向热应力分布。并对激光辐照薄膜元件产生的温度场、热应力场进行了分析，阐明了原因。     

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。     

连续波DF高功率激光引起的光学元件热畸变和损伤

分析了四分之一波长膜堆和金属介质增强激光反射膜的吸收，计算和测量了连续波高功率激光辐照下光学元件的热变形．对理论计算和实测结果进行了比较。     

表面杂质诱导薄膜元件的热应力损伤EI北大核心CSCD

基于薄膜元件的热力学理论,建立了强激光连续辐照下薄膜元件的热分析模型,模拟了薄膜元件表面杂质吸热后向周围薄膜进行热传递的过程,并讨论了表面洁净度等级和杂质尺寸对薄膜元件热应力损伤的影响。研究结果表明:强激光连续辐照下,表面杂质会吸收激光能量产生较大的温升,激光辐照时间越长,功率密度越大,杂质的温升也越大;吸热后,达到熔点的杂质和未达到熔点的杂质分别通过热传导和热辐射的方式向周围薄膜传递热量,通过热传导作用在薄膜元件表面引起的温升明显高于热辐射作用引起的;杂质向周围薄膜传递热量后会在薄膜元件上产生非均匀的温度梯度,进而产生热应力,热应力随着温度梯度的增加而增大,且处于一定尺寸范围内的杂质,更容易诱导薄膜元件热应力损伤;此外,薄膜元件的表面洁净度等级越高,杂质粒子的数目越多,越易于造成薄膜元件的热应力损伤。     

表面杂质诱导薄膜元件的热应力损伤

基于薄膜元件的热力学理论,建立了强激光连续辐照下薄膜元件的热分析模型,模拟了薄膜元件表面杂质吸热后向周围薄膜进行热传递的过程,并讨论了表面洁净度等级和杂质尺寸对薄膜元件热应力损伤的影响。研究结果表明:强激光连续辐照下,表面杂质会吸收激光能量产生较大的温升,激光辐照时间越长,功率密度越大,杂质的温升也越大;吸热后,达到熔点的杂质和未达到熔点的杂质分别通过热传导和热辐射的方式向周围薄膜传递热量,通过热传导作用在薄膜元件表面引起的温升明显高于热辐射作用引起的;杂质向周围薄膜传递热量后会在薄膜元件上产生非均匀的温度梯度,进而产生热应力,热应力随着温度梯度的增加而增大,且处于一定尺寸范围内的杂质,更容易诱导薄膜元件热应力损伤;此外,薄膜元件的表面洁净度等级越高,杂质粒子的数目越多,越易于造成薄膜元件的热应力损伤。     

激光空间合束主镜优化设计与分析

本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析,以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变,提高主镜面形精度。首先,对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点,从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式;然后,利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析,并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计;最后,对主镜进行重力、环境适应性和基频分析,验证设计的合理性。分析结果表明:6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下,随着辐照时间的增加,镜面温升值和P-V值逐渐增大;辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4℃,P-V值为155 nm,受镜体结构影响,辐照区内热畸变值不一致,差值约占镜面P-V值的1/6;为改善热畸变的不一致性,提高镜体强度,对主镜进行拓扑优化设计,优化后主镜轻量化达54.5%,辐照区热畸变一致性好,镜面热畸变量减小了近1/3;不同俯仰姿态下,主镜重力变形值基本相同,不足10 nm;环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移,稳态温差值越大,主镜面形P-V值和镜面平移量越大;模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。     

激光二极管抽运固体激光器场分布的热不稳定性研究

通过建立激光介质非热平衡状态的振荡散热模型，分析了激光二极管抽运固体激光器中，热透镜的不稳定性.研究表明，热透镜的这种热不稳定性是造成激光场不稳定的重要因素.会造成高斯半径的不稳定波动，会使激光光束的指向角波动，会造成激光光斑的非对称畸变，这种畸变也处于波动之中.通过对端面抽运条件下，热耗为1W的Nd:YAG激光介质的理论和实验研究，确定了这种原因下光场不稳定度的数量级. 关键词： 激光二极管 固体激光器 热透镜     

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。     

连续激光辐照锗材料损伤的数值模拟研究

 以热传导理论和热弹应力理论为基础,建立了连续平顶激光辐照锗材料的二维非稳态物理模型。对受辐照锗材料的热-力场分布进行数值模拟,比较了激光辐照时间对靶材热-力场分布的影响,探讨了温度场及应力场空间梯度随半径的分布以及激光辐照时间对热-力场空间梯度的影响。计算结果表明,靶材中心温升效应最大,而应力最大值出现在光斑半径外侧;光斑边缘处温度场和应力场梯度绝对值均达到最大,随着辐照时间的延长,材料同一点温度场和应力场梯度均增大。在给定条件下,计算了靶材的损伤时间,应力损伤域值最先达到。     

960线光谱合束光栅的热畸变分析

前期通过实验和理论研究了960线合束光栅在不同功率密度激光辐照下的表面热畸变及远场光束质量,认为基底受热膨胀是导致合束光栅面形质量和光束质量下降的主要原因,但没有对合束光栅表面热量沉积和远场光束质量如何改善进行分析。通过模型改进分析了合束光栅在不同辐照功率密度下的表面温度、热畸变以及远场光束质量的变化,而且计算分析了基底厚度对合束光栅表面温度、热畸变以及远场光束质量的影响,并得出结论:增加基底厚度有利于提高合束光栅的功率耐受性以及衍射光斑的远场光束质量。     

Thermal optical effect in axisymmetric structural laser resonator

In order to study the thermal optical effect (TOE) resulting from the axisymmetrical sources of thermal energy at the output mirror of CO₂ laser, the Heat Conduction Poisson Equation (HCPE) has been solved in the output mirror. Then the temperature distribution is given. The temperature variations will cause the surface distortion and the phase shift at the output mirror. Therefore, the output laser beam will be subject to thermal optical distortion and phase change. The numerical examples are to confirm our calculated results.     

钕玻璃的光泵感应热畸变

本文对钕玻璃的光泵感应热畸变作了理论分析,给出了光泵感应热畸变与钕玻璃热光性质的关系,并对高重复率脉冲器件和单次脉冲器件作了热畸变的定量测量,实验结果在一定程度上与理论分析相符。     

Output characteristics analyses of a novel dual-slab laser with an off-axis one-sided stable-unstable resonator

A novel dual-slab laser with an off-axis one-sided stable-unstable resonator which can compensate for thermal distortion to some extent by flipping the optical beam is described in this paper. The output power,efficiency, and near-field and far-field intensity distributions of the dual-slab laser have been studied. The results indicate that the novel dual-slab laser has better performance than the normal dual-slab laser with the same off-axis one-sided stable-unstable resonator.     

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。     

高能激光系统内光路热效应建模与仿真

高能激光系统内光路热效应是影响系统性能的重要因素,介绍了内光路中光学元件、介质气体热效应物理模型,分析了影响热效应的主要因素,并开展了热效应变化规律研究。针对光学元件,重点研究了元件吸收率、元件材料特性、光斑分布对反射镜、窗口镜、分光镜热像差的影响规律,指出吸收率主要影响热像差的大小,而元件基底材料特性和激光分布影响热像差时间和空间变化。针对介质气体,指出介质气体升温后重力引起的自然对流是影响气体热像差的主要物理因素,细致研究了热像差随时间的变化规律,介绍了降低封闭与开放式内光路介质气体热像差的措施与方法。介绍了激光仿真软件平台Easylaser多物理仿真模块,搭建了包含反射镜、窗口镜、分光镜和介质气体的内光路计算模型,通过光-热-力-控多物理耦合仿真,研究了反射镜与窗口镜、介质气体与窗口镜热像差补偿效应,给出了激光传输远场光斑特征,表明了Easylaser的多物理仿真模块具备对内光路热效应综合仿真分析能力。     

Semianalytical analysis of thermal effect in LD double-side-pumped rectangular laser crystal

A semianalytical method to analyze the thermal effect in a LD double-side-pumped rectangular laser crystal is put forward. Through the analysis of working characteristics of the laser crystal, a thermal model that matches actual situations of the laser crystal is established. General expressions of temperature field and thermal distortion field in the laser crystal can be obtained by a novel method to solve the heat conduction equation of orthotropic material. This semianalytical method can be used to calculate the temperature field and thermal distortion field in other LD double-side-pumped laser crystals and is applied to Nd:YVO₄ crystal in detail in this paper, and two methods of effectively reducing thermal distortion in the laser crystal are offered. Results show that a maximum temperature rise of 362.2 °C and a maximum thermal distortion of 5.55 μm are obtained in Nd:YVO₄ crystal when the output power of the two laser diodes are both 30 W. When the off-center distance is 0.6 mm, the maximum thermal distortion is reduced by 37.7%; when the thickness of the crystal is reduced from 2.0 mm to 1.4 mm, the maximum thermal distortion is reduced by 31.7%. Results in this paper can offer theoretical base for better solving thermal problems in laser system.     

第三类热边界条件对激光晶体热效应的影响

以各向异性半解析热分析理论为基础,研究矩形横截面Nd:YVO4激光晶体在有第三类热边界条件工作时,激光晶体温度场分布和晶体抽运面热形变分布.通过激光晶体工作特点分析,建立符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的半解析求解方法,得出了矩形截面Nd:YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明:当使用输出功率为15 W半导体激光器端面中心入射Nd:YVO4晶体(晶体掺钕离子质量分数为0.5%)时,在抽运端面中心获得499.5 K最高温度和0.99 μm最大热形变量.和将第三类热边界条件近似为第二类热边界条件的通用做法相比更准确.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

Diode laser welding of ABS: Experiments and process modeling

The laser beam weldability of acrylonitrile/butadiene/styrene (ABS) plates is determined by combining both experimental and theoretical aspects. In modeling the process, an optical model is used to determine how the laser beam is attenuated by the first material and to obtain the laser beam profile at the interface. Using this information as the input data to a thermal model, the evolution of the temperature field within the two components can be estimated. The thermal model is based on the first principles of heat transfer and utilizes the temperature variation laws of material properties. Corroborating the numerical results with the experimental results, some important insights concerning the fundamental phenomena that govern the process could be extracted. This approach proved to be an efficient tool in determining the weldability of polimeric materials and assures a significant reduction of time and costs with the experimental exploration.     

光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展

受热效应、光学损伤与非线性效应等因素的限制,单纤的功率提高困难。因此通过光学元件将多束激光进行合束的光束合成技术应运而生。光谱合束方案具有结构简单,合束光束质量好等优点,逐渐成为了合束技术发展的主流。简要介绍了光纤激光光谱合束的几种常见合束方案,对比分析了几种合束技术的优缺点。对光谱合束中存在的光栅热畸变问题,从理论研究和实验研究两个方面进行了针对性的分析与讨论,并对光谱合束未来的发展趋势进行了展望。     

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.