脉冲激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器晶体时变热效应

采用数值计算的方法,对脉冲激光二极管三向侧面抽运固体激光器中,激光晶体的温度场时变分布进行了计算. 分析了三向侧面抽运情况下晶体内光强分布,在此基础上,采用有限元法,以脉冲激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器为例,对单脉冲过程中晶体温度分布及其影响因素进行分析. 结果表明,晶体升温过程受到抽运条件以及散热条件的影响,但是主要受到抽运条件即抽运光强度和光束半径的影响,降温过程受到晶体热物性参数和晶体半径以及散热条件的影响. 当晶体温度达到周期性分布后,由于晶体径向温度梯度的周期性变化,引起通过晶体的平面光波的中心和边缘光线相对光程差也随时间作周期性变化. 关键词： 激光二极管侧面抽运固体激光器 热效应 有限元法 时变过程     

脉冲激光二极管侧面抽运Nd:YAG激光器晶体时变热效应

采用数值计算的方法,对脉冲激光二极管三向侧面抽运固体激光器中,激光晶体的温度场时变分布进行了计算. 分析了三向侧面抽运情况下晶体内光强分布,在此基础上,采用有限元法,以脉冲激光二极管侧面抽运Nd:YAG激光器为例,对单脉冲过程中晶体温度分布及其影响因素进行分析. 结果表明,晶体升温过程受到抽运条件以及散热条件的影响,但是主要受到抽运条件即抽运光强度和光束半径的影响,降温过程受到晶体热物性参数和晶体半径以及散热条件的影响. 当晶体温度达到周期性分布后,由于晶体径向温度梯度的周期性变化,引起通过晶体的平面光波的中心和边缘光线相对光程差也随时间作周期性变化.     

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     

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.     

用于光生毫米波的双频微片激光器热致频差特性研究

研究了激光二极管端面抽运的双纵模双频微片激光器的热效应对其输出频谱的影响. 通过对端面抽运Nd:YVO₄微片的热传导方程求解得出晶体内部的温度场分布; 并进一步对微片晶体热致折射率变化进行分析, 由此计算出双频微片激光器的热致频谱变化. 实验结果表明: 当抽运功率较小时得到稳定的双纵模双频激光输出; 当抽运功率增大时, 晶体热效应使双频激光频谱双峰之间的频差减小, 各纵模波长频谱宽度加宽, 实验结果与理论分析相符合. 关键词： 光载无线通信 双频微片激光器 热效应 频率差     

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.     

不同抽运光分布下端面抽运固体激光器中晶体的端面温度分布研究

为了研究不同的抽运光分布对晶体端面温度场的影响,提出一种平顶光的归类方法,并依据所提出的平顶光的归类方法划分出圆柱光、高斯光和平顶光.重点研究了圆柱光、高斯光和平顶光在不同的功率和不同的焦斑半径下端面温度分布.发现在相同的抽运功率和相同的光斑半径下圆柱光抽运时晶体的端面温度最高,平顶光次之,高斯光最小的重要结论, 说明抽运光的分布严重影响晶体端面的温度场.最后讨论了端面温度场引起的热效应对DPL光束质量的影响,发现端面热效应引起端面热透镜等效曲率半径减小,从而引起束腰半径的减小. 热效应引起热透镜等效曲率 关键词： 圆柱光 平顶光 端面抽运 温度场     

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.     

热透镜控制激光光束质量技术研究

在端面抽运固体激光器中,就如何改善在高抽运功率时输出激光的光束质量,提出一种激光器的设计方法。在激光器谐振腔中放入多根掺杂浓度不同的激光介质,利用激光介质内部产生的热透镜控制抽运光和基模振荡光的空间分布,并且最大限度地使抽运光的分布区和基模振荡光分布区重叠,实现抽运光与基模振荡光在空间上高度匹配,进而提高抽运光能量的利用效率和振荡光的光束质量。实验表明,在不同抽运功率下,抽运光和基模振荡光在晶体内部的光斑的空间分布可通过热透镜加以控制。在端面抽运功率200 W附近时,实现了抽运光与基模振荡光较高程度匹配,光束质量因子M2由14.7改善为4.1。     

薄片激光器热效应及其对输出功率的影响

建立了光强分布为高斯型的抽运光端面单程抽运时薄片激光器的温度模型, 实验测量了不同抽运功率下薄片介质表面的 温度分布、温度随时间的变化特性以及介质表面的温度差. 采用Hartmann法测量了薄片介质的热焦距. 考虑热焦距随抽运功率的变化, 基于四能级系统薄片激光器的速率方程组, 建立了薄片激光器热效应对输出功率影响的物理模型, 薄片激光器输入-输出功率曲线与实际相符. 所得结果对薄片激光器的设计和优化具有一定的指导意义.     

Solid-gas interface thermal conductance for the thermal barrier coating with surface roughness: The confinement effect

The yttria-stabilized zirconia (YSZ) is a famous thermal barrier coating material to protect hot-end components of an engine. As a characteristic feature of the YSZ, the surface roughness shall play an important role in the interface thermal conductance between the YSZ and gas, considering that the gas is typically at an extremely high temperature. We investigate the effect of the surface roughness on the thermal conductance of the YSZ-gas interface with surface roughness described by nanoscale pores on the surface of the YSZ. We reveal two competitive mechanisms related to the microstructure of the pore, i.e., the actual contact area effect and the confinement effect. The increase of the pore depth will enlarge the actual contact area between the YSZ and gas, leading to enhancement of the solid-gas interface thermal conductance. In contrast to the positive actual contact area effect, the geometry-induced confinement effect greatly reduces the interface thermal conductance. These findings shall offer some fundamental understandings for the microscopic mechanisms of the YSZ-gas interface thermal conductance.     

考虑界面接触热阻的一维复合结构的热整流机理

建立了考虑变截面、变热导率及界面接触热阻效应的组合热整流结构的温度场及热整流系数的理论模型和有限元解.数值算例证明了本文模型及算法的可靠性,进而通过参数影响研究确定了若干几何及材料参数对结构热整流系数的影响规律,揭示界面接触热阻对热整流效果的影响机理.研究结果表明长度比、截面半径变化率、热导率、边界条件温差和界面接触热阻等因素必须通过优化设计才能得到最大的热整流系数,同时界面接触热阻的引入也为调控热整流系数提供了一条新的途径.     

ESTIMATION OF THERMAL CONTACT CONDUCTANCE DURING RESISTANCE SPOT WELDING

This article describes an experimental procedure conducted to estimate and investigate the transient thermal contact conductance (or thermal contact resistance) between the electrodes and workpieces during resistance spot welding. A fine thermal metrology was developed to collect thermal histories near the welding region. Indeed, the electrode tip was instrumented with several interior microthermocouples for measuring the transient temperature response during the welding process. A simple mathematical model, using an inverse heat transfer method, was built for the estimation of the transient heat transfer coefficient from interior transient temperature measurements. A simple resistance welding case of two steel sheets was investigated. The initial transient values of thermal contact conductance were found to be in agreement with those observed in the dry copper–steel solid contact case. At the end of the process, the transient heat transfer coefficient reaches a high value corresponding to the best heat transfer phenomenon at the interface during the welding process. When the metal is melted, the contact quality increases due to the high-applied electrode force. Higher electrode force and heating temperatures produce lower thermal contact resistance. The results obtained show the capabilities and the power of the coupled thermal metrology and transient inverse technique developed to investigate thermal history of resistance spot welding.     

激光二极管阵列端面抽运复合棒状激光器热效应的有限元法分析

建立了激光二极管阵列(LDA)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,运用有限元法得出了复合棒状介质和未复合棒状介质内瞬态温度、热应力和应变的时空分布,分析了温度、热应力和应变随抽运功率、换热系数和时间的变化规律.结果表明,复合棒的最高温度、最大张应力和最大轴向应变的位置与未复合棒不同,并且数值分别为未复合棒的73%,60%和33%.由此可知,利用复合棒可极大地减小热效应的影响.理论分析结果可为LDA抽运固体激光器的结构优化设计和实验研究提供理论参考.     

纳米结构影响沸腾换热特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟液体在纳米结构表面的快速沸腾过程.主要研究了纳米结构表面粗糙度以及栏栅形和棋盘形两种排列方式对液体快速沸腾过程以及换热特性的影响.研究结果表明,随着纳米结构表面粗糙度的增加,栏栅形和棋盘形纳米结构表面液体沸腾起始时间均提前.当栏栅形和棋盘形纳米结构表面粗糙度相同时,棋盘形纳米结构表面会进一步缩短液体沸腾起始时间.形成这种现象的原因是纳米结构表面粗糙度的增加,增加了固液接触面积,提高了初始时刻热通量,减小了固液界面热阻,导致表面附近液体动能增大,增大了液体高度方向的温度梯度,有利于液体发生沸腾.当纳米结构表面粗糙度相同时,棋盘形纳米结构表面具有较小的界面热阻,从而缩短了沸腾所需要的时间.     

表面粗糙度对薄膜面向热导率的影响研究

通过求解声子辐射输运方程(EPRT)计算得到了薄膜的面向晶格热导率.在薄膜界面采用与声子波长相关的镜反射率模型,考虑了薄膜的厚度、温度和表面粗糙度等对其热导率的影响.结果表明,界面粗糙度对薄膜热导率的影响很大.减小界面粗糙度,会使得薄膜热导率大大增加.另外,薄膜厚度减小使得热导率峰值对应的温度增加.     

Experimental Study of Thermal Contact Resistance in Hardened Bearing Surfaces

The significance of thermal contact resistance on a bearing steel surface and its application in the analysis of heat flow through layers has been discussed. In the present study, it is considered that the surface roughness and the interface temperature vary to estimate effective thermal conductivity of the bearing model under steady-state and insulated conditions. Surface roughness was considered in the range of 2.37–7.16 μm, and thermal contact properties of the hardened steels were studied under dry and lubricated conditions. These results help to predict temperature distributions of the bearing using SolidWorks2011 (Dassault Systèmes SolidWorks Concord, MA, USA).     

侧面抽运板状激光介质的热汇冷却

高热负荷固体激光介质的热效应已经成为制约激光器功率进一步提高的严重障碍,只有对激光介质进行有效的冷却才能保证其安全运行。以不均匀换热系数模型为基础,研究了具有非均匀内热源的侧面双向抽运板状激光介质在狭窄通道强制对流冷却情况下的耦合换热问题,对热汇冷却方案下介质的温度分布和热应力分布进行了数值模拟和分析,并对复合介质、蓝宝石和金刚石三种热汇材料进行对比。结果表明,忽视换热系数的非均匀性将导致应力计算结果偏低。对于侧面抽运、侧面冷却的激光介质,金刚石热汇冷却方案最佳,蓝宝石热汇方案次之,而复合介质方案不宜采用。     

大功率LED照明器的热设计

采用等效电路的热阻法计算了大功率LED照明器的热阻，并估算了散热器的面积，然后利用Icepak软件进行建模分析。通过改变散热器翅片的高度、类型及散热器的面积，比较模拟软件计算后的温度分布与原始温度，分析得出翅片在增加高度时改变散热性能最为明显，为大功率LED照明器的热设计提供了参考。