Finite element analysis of three-dimensional laser-induced transient thermal grating in diamond/ZnSe system

This paper uses finite element method to obtain the three-dimensional temperature field of laser-induced transient thermal grating （TTG） for two-layered structure of diamond film on ZnSe substrate. The numerical results indicate that unique two-times heating process is gradually experienced in the area between two adjacent grating stripes. However, there is a little change for the temperature field along the depth direction for the diamond film due to its great thermal conductivity. It further finds that the thickness of the diamond film has a significant influence on the temperature field in diamond/ZnSe system. The results are useful for the application of laser-induced TTG technique in film/substrate system.     

连续波抽运气体波导产生太赫兹激光的理论研究

基于速率方程理论,建立了光抽运气体波导产生太赫兹(THz)激光的能量转化模型,理论分析并求解得到抽运光吸收系数、THz小信号增益系数以及THz输出功率表达式.计算结果表明,THz输出功率随工作物质气压的升高先增加后逐渐减少,随抽运功率的增加、输出镜反射率的减小而增加;最佳工作气压随抽运功率的增大而增大;激发态粒子数以及THz光子通量随波导截面径向逐渐减小,而THz小信号增益系数逐渐增加;抽运饱和、弱抽运吸收与激发态工作物质对THz激光的吸收是限制激光转化效率提高的根源;基于该模型的计算结果与相关文献中的实验数据符合较好.     

低功率激光热透镜效应的模拟及研究

与高功率激光相比,低功率激光更安全,其热透镜效应对激光功率变化更敏感,更适合用于实验教学.本文利用有限元法模拟低功率激光的热透镜效应,模拟介质温度场和等效热透镜焦距,定量探究低功率激光热透镜焦距与激光功率以及介质热吸收率、厚度的关系.模拟结果与实验数据符合良好,为探究低功率激光热透镜效应实验提供理论依据.     

填充ENZ材料的太赫兹高双折射及近零平坦色散微结构光纤北大核心CSCD

为了实现太赫兹波的保偏波导传输,设计了一种含有纤芯缺陷孔和椭圆形包层空气孔的高双折射微结构光纤。通过在包层空气孔中选择性地填充太赫兹近零介电常量(epsilon-nearzero,ENZ)材料,引入了几何结构和材料分布的双重不对称性,破坏了2个偏振基模的简并以获得高双折射特性。应用有限元方法研究了光纤的双折射、损耗和色散等传输特性随结构参数的变化规律。在0.5 THz~2 THz的宽频段范围内获得了大于0.01的高双折射。x和y偏振基模的损耗在0.8 THz附近具有最小值,分别为0.903 dB·cm^(-1)和0.851 dB·cm^(-1)。纤芯缺陷孔可以有效调节色散特性,y偏振基模在1 THz~1.8 THz范围内具有(0±0.054)ps·THz^(-1)·cm^(-1)近零平坦色散特性。光纤的传输特性对ENZ材料的折射率变化不敏感。研究结论为研制太赫兹保偏光纤提供了理论参考。     

Finger capacitance of a terahertz photomixer in low-temperature-grown GaAs using the finite element method

Interdigitated finger capacitance of a continuous-wave terahertz photomixer is calculated using the finite element method.For the frequently used electrode width(0.2 μm) and gap width(1.8 μm),the finger capacitance increases quasi-quadratically with the number of electrodes increasing.The quasi-quadratic dependence can be explained by a sequence of lumped capacitors connected in parallel.For a photomixer composed of 10 electrodes and 9 photoconductive gaps,the finger capacitance increases as the gap width increases at a small electrode width,and follows the reverse trend at a large electrode width.For a constant electrode width,the finger capacitance first decreases and then slightly increases as the gap broadens until the smallest finger capacitance is formed.We also investigate the finger capacitances at different electrode and gap configurations with the 8 μm× 8 μm photomixer commonly used in previous studies.These calculations lead to a better understanding of the finger capacitance affected by the finger parameters,and should lead to terahertz photomixer optimization.     

基于可调谐准高斯波束太赫兹源的成像系统研究

报道了一种基于频率可调谐准高斯太赫兹波束的透射成像系统.研究表明,在这种成像系统中太赫兹波束具有良好的空间分布特性,其波束质量因子M²_x＝1.15,M²_z＝1.25,波束传输特性和聚焦特性良好.实验结果反映出成像系统的空间分辨能力与典型太赫兹波长(250μm)相接近.在太赫兹波输出1.0—2.5THz范围内,成像系统信噪比大于1000dB;在1.8THz处,信噪比 关键词： 太赫兹波 太赫兹成像 太赫兹探测     

热动力学问题的数值计算

 对含热传导的流体动力学方程组，用有限元方法进行数值求解。采用傅里叶热传导计算热流、用热流连续条件计算单元间接触面的温度、用三角形传热法计算体单元表面的热流，考虑各向同性弹塑性流体材料模型、三项式物态方程和导热系数与状态的相关性，给出了傅里叶热传导、接触传热、热应力应变效应、以及混合物冲击压缩特性等算例。对混合物冲击温度的数值模拟表明，小颗粒混合物在冲击压缩过程中，颗粒间的温度有差别、稍有波动，并随时间趋向于一致，以至热平衡。     

基于表面等离子体的太赫兹光束方向调控的模拟研究

本文根据锑化铟(InSb)材料在THz波段下复介电常数对温度的响应特性,采用了带有光栅的锑化铟-介质-锑化铟的表面等离子体波导结构,实现了1THz频率光束的准直出射,并能够通过调整结构两侧光栅的温度差来控制出射光束的角度.由时域有限差分方法得到光束偏转角度与温度差之间的关系.理论上利用表面等离子体波导模式的光栅耦合机理解释光束方向改变的原因. 关键词： 表面等离子体 太赫兹 时域有限差分方法 光束方向控制     

Application of reduced scale tests to improve the thermal performance of high-voltage substation connectors

The thermal behavior of high-voltage substation connectors is a critical aspect that must be considered during the design stage. Most research about the thermal performance of substation connector devices is based on full-scale models. This paper proposes a downscaling method to evaluate the thermal performance of reduced scale substation connectors. The theoretical results attained in this paper were validated by means of FEM simulations and experimental tests. Reduced scale simulation and testing will be an essential tool for assessing the thermal performance of substation connectors and other electrical equipment during the design and validation stages.     

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.     

二极管端面抽运固体激光器晶体棒与热沉接触热导研究

二极管端面抽运固体激光器中,圆棒晶体采用金属热沉夹持并散热,晶体侧面受到的压力呈非轴对称分布.建立了此状态下晶体棒与热沉间无热界面物质、采用厚度为平均间隙厚度和远大于平均间隙厚度的热界面物质三种情况下接触热导模型.针对前两种模型,采用截断高斯模型和塑性形变模型,讨论了接触热导与装配压力、等效均方根粗糙度的关系.建立了晶体棒与热沉的接触散热模型,对高斯型热耗分布,采用有限元法得到了无热界面物质和采用铟箔作为热界面物质时晶体棒温度的空间分布.结果表明:无热界面物质时,晶体棒与热沉间接触热导随圆心角变化较大,其 关键词： 激光二极管端面抽运固体激光器 热效应 有限元法 接触热导     

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。     

LDA侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应分析

在高斯光强近似下对泵浦LD光强分布模型进行修正,建立了LDA侧面泵浦固体激光介质内热源分布的数值模型。用有限元法计算模拟了三角均匀分布侧面泵浦结构激光棒瞬态温升过程及稳态温度分布情况。讨论比较了泵浦源的高斯强度近似和均匀强度近似下激光棒内温度分布情况,并对激光棒的类热透镜的焦距进行实验测量。实验和数值计算说明了LDA泵浦结构和冷却场的非均匀分布使实际温度场偏离均匀泵浦时的二次曲线分布模型,激光晶体热效应产生的类透镜会聚作用的不对称导致了激光器输出光束质量在x,y方向上的不同。     

太赫兹波在飞行器等离子体鞘套中的传输特性

针对临近空间飞行器的黑障问题,根据模拟的RAM C-III飞行器周围的流场分布结果,计算了等离子体电子密度和碰撞频率,并根据其分布建立了非均匀的等离子体模型。在此基础上,利用散射矩阵方法分析了太赫兹波在等离子体中的传输特性随着等离子体密度、等离子体厚度、等离子体碰撞频率的变化以及外加磁场对传输特性的影响。结果表明,太赫兹波的传输损耗随着等离子体电子密度和等离子体厚度的增加而增加,而碰撞频率的增加会使得透射率先减小后增加。在外加磁场的作用下,左旋太赫兹波的传输特性会得到改善;而对于右旋太赫兹波,磁场的施加会引入吸收峰,并且随着磁感应强度的增加向高频方向移动。     

样品内部非平行界面的反射式terahertz波层析研究

已有的反射式terahertz(THz)波层析研究都是针对平行界面进行，开展了样品内非平行界面的反射式THz波层析成像的数值模拟研究.根据物理模型给出了重构算法，并编制了相应的重构软件，数值计算结果表明非平行界面的重构是可行的.分析表明，重构误差主要来源于计算中的近似处理和累积误差.讨论了曲线轮廓界面的近似处理方法，提出当曲线轮廓各点的曲率半径都比较大时，可以把曲线分割成多段直线处理.最后分析了影响纵向分辨率的因素.结果表明，输入脉冲的脉宽越大则纵向分辨率越低，一般情况下纵向分辨率可达到亚毫米量级. 关键词： terahertz波 反射式层析成像     

红外热波无损检测中材料表面下缺陷类型识别的有限元模拟及分析

鉴于红外热波无损检测中被检测物的形状、尺寸、材料和缺陷类型的不同，为给红外热波无损检测提供前期实验结果的预演，利用大型有限元分析软件ANSYS选择3种热特性差异较大的均匀材料，设计了三维模型。利用软件的前处理器和通用后处理器，绘出不同时刻模型表面的温度场分布，以此确定温度分布材料缺陷的类型。通过对模拟数据进行分析，绘出不同缺陷的温度变化曲线。根据曲线斜率的不同，可定性确定缺陷的类型。模拟结果说明：大型有限元分析软件ANSYS可用于红外热波无损检测实验过程的模拟,模拟结果与实验结果相符。该方法可用于其他不同缺陷类型的模拟及定量识别。     

Heat transfer enhancement in MOSFET mounted on different FR4 substrates by thermal transient measurement

Miniaturization of electronic package leads to high heat density and heat accumulation in electronics device, resulting in short life time and premature failure of the device. Junction temperature and thermal resistance are the critical parameters that determine the thermal management and reliability in electronics cooling. Metal oxide field effect transistor (MOSFET) is an important semiconductor device for light emitting diode-integrated circuit (LED IC) driver application, and thermal management in MOSFET is a major challenge. In this study, investigations on thermal performance of MOSFET are performed for evaluating the junction temperature and thermal resistance. Suitable modifications in FR4 substrates are proposed by introducing thermal vias and copper layer coating to improve the thermal performance of MOSFET. Experiments are conducted using thermal transient tester (T3ster) at 2.0 A input current and ambient temperature varying from 25 ℃to 75 °C. The thermal parameters are measured for three proposed designs: FR4 with circular thermal vias, FR4 with single strip of copper layer and embedded vias, and FR4 with I-shaped copper layer, and compared with that of plain FR4 substrate. From the experimental results, FR4_I-shaped shows promising results by 33.71% reduction in junction temperature and 54.19% reduction in thermal resistance. For elevated temperature, the relative increases in junction temperature and thermal resistance are lower for FR4_I-shaped than those for other substrates considered. The introduction of thermal vias and copper layer plays a significant role in thermal performance.     

高功率环形激光二极管阵列重复脉冲抽运激光器中棒的瞬态温度分布

采用光线追迹方法和有限元方法,对高功率环形激光二极管阵列（LDA）重复脉冲抽运Nd:YAG激光器中,棒的瞬态温度分布进行了详细的计算模拟,分析比较了不同抽运阶段、抽运频率及占空比的情况下棒内的瞬态温度分布。结果表明：高功率环形LDA重复脉冲抽运时,棒中心处温度随时间变化成锯齿形分布,棒内温度随抽运频率和占空比的增大而增大,最后温度随时间成周期性变化。     

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通过电子束辐照实验和有限元模拟研究了ITER类型面对等离子体的高纯钨材料在瞬态热冲击下的行为。在新建成的电子束实验平台EMS-60上进行了ITER等离子体发生大破裂不稳定下的模拟实验,实验中样品的基体温度为室温,脉冲宽度为1-5ms,能量负载范围是1~5MJ-m-2。实验后通过扫描电镜观察了样品的再结晶、裂纹及熔化情况,讨论了裂纹形成机理。通过有限元模拟,得出在5ms的脉冲负载下钨的裂纹阈值为1.5MJ-m-2,与实验结果符合很好。     

激光辐照下复合材料热响应的轴对称数值分析

为了模拟激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应,建立了轴对称计算模型。模型考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容和热导率等物理量的变化情况。采用有限元方法求解控制方程,边界条件包含了激光辐照、对流换热以及辐射换热。在此基础上编写了计算程序,预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和基体热分解状况。为了校核模型,开展了激光辐照碳纤维复合材料试验。计算结果与试验数据比较表明,模型预测的复合材料温度-时间曲线与试验结果较好吻合,在较低功率密度激光辐照下复合材料热响应以基体热分解为主,与试验烧蚀形貌观察结果一致。