强激光辐照下柱壳温度场的数值模拟

 用有限元方法数值模拟强激光辐照下柱壳上温度场的变化和分布情况，并对热性能参数随温度变化对温度场造成的影响进行了研究。     

矩形激光脉冲辐照下金属板材料温度分布研究

从光子与声子相互作用机理出发,导出金属材料能量吸收速率.利用格林函数和有限积分变换法求出有热源情况下的热传导方程的解析解,讨论了材料性质、板厚度对板内温度分布的影响.结果表明:矩形激光脉冲辐照下金属板材料温度分布具有波动特征,板厚度和板材料性质对温度波动频率有重要影响. 关键词： 激光辐照 能量吸收速率 温度分布 金属板材料     

基于随机模拟算法的激光辐照固体材料的温升研究

热传导方程的复杂性给研究激光热损伤等问题带来了困难。随机模拟算法将热传输看成是随机的化学动力学过程,算法容易实现,适用于复杂系统随时间变化的模拟。以固体硅为例,利用该算法计算了高斯激光辐照硅表层的热传输过程,对比了传统计算方法,应用该算法探讨了吸收系数对热损伤的影响问题。计算结果表明,算法的模拟结果符合激光辐照固体材料的实际规律,可作为一种激光辐照固体热传输过程的研究方法。应用结果显示:激光辐照初期,材料的热损伤与波长有依赖关系,吸收系数较小的材料能减小对基底的热损伤概率;激光辐照后期,减小吸收系数对热损伤的影响不明显。     

激光辐照引起的材料温度场和热应力场的瞬态分布

 光电探测器吸收激光后的温升以及因温升造成的各种现象,致使探测器遭受到不同程度的损伤。利用热弹性理论对CO2激光器辐照K9玻璃材料进行研究,建立激光辐照材料温升及热应力分布二维平面模型,通过解析计算得到由激光辐照半导体材料引起的温度场和应力场的瞬态分布。研究表明, K9玻璃材料的激光辐照损伤阀值与辐照时间和光斑半径相关。在同一条件下,造成的热应力损伤阀值较熔融损伤的低,故K9玻璃材料的破坏形态为热应力破坏。      

真空条件下不同波长固体激光烧蚀单晶硅的实验研究

通过倍频Nd：YAG固体激光的基波得到波长分别为532、355和266 nm的激光,研究了单晶硅（Si）对不同波长固体激光的吸收规律和3种不同波长激光在真空条件下烧蚀单晶Si的烧蚀特征。结果表明,单晶Si对波长为100~370 nm的紫外激光具有很好的吸收效果;在其他条件相同时,532 nm波长激光烧蚀单晶Si所需最低单脉冲能量（Ep=30 μJ）是355和266 nm波长激光烧蚀单晶Si所需最低单脉冲能量（Ep=15 μJ）的2倍;532、355和266 nm的激光烧蚀单晶Si的烧蚀阈值随着波长的变短而变小。     

强激光脉冲与透明固体相互作用机制

本文论述了光学元件激光辐照损伤的标准,从光子与声子相互作用的机制出发,导出了固体材料的能量吸收速率;解热传导方程,求出材料温升及温升率,以SiO2为例,得出激光阈值功率密度随脉冲时间的变化规律。理论计算与实验基本符合。     

脉冲激光辐照GaAs材料热效应研究

为了研究脉冲激光辐照GaAs材料的热效应,采用软件COMSOL Multiphysics构建了高斯脉冲激光辐照半导体材料的温升物理模型,分析了1 064nm纳秒级脉冲激光辐照半导体材料GaAs的热效应.通过求解热传导方程计算了不同功率密度激光辐照GaAs材料的径向与纵向温度场分布,讨论了单光子吸收、双光子吸收及自由载流子吸收对辐照材料的温升贡献.计算结果表明:当激光功率密度升至1010 W/cm2,自由载流子对材料的温升贡献已超过单光子吸收对材料温升的贡献而占主导位置;当激光功率密度降至108 W/cm2以下时,两种非线性吸收对材料温升的贡献可以忽略.该结果与相关实验基本相符,表明了构建的物理模型具有科学性.     

连续激光辐照GaAs材料损伤的数值模拟计算

基于热传导理论,构建了高斯分布的连续激光辐照GaAs材料的二维轴对称非稳态物理模型,且利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics求解热传导方程得到了材料表面温度分布曲线以及光斑中心处温度沿厚度方向分布曲线,并得出GaAs材料的分解损伤时间与入射光功率密度的关系曲线.研究表明,在连续激光辐照下,GaAs材料可能会发生分解损伤,激光功率越高,材料被破坏所需的时间越短.理论计算结果与相关的实验结论一致,说明所建立的激光辐照效应模型具有科学性.     

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。     

激光加载下铝材料的冲击温度测量

利用神光Ⅱ装置上搭建的用于激光冲击波实验的温度诊断系统（该系统包括高时空分辨的扫描高温计和谱时分辨的扫描高温计）,以强激光加载铝材料冲击温度的测量,获得了铝材料冲击高温辐射发光谱的高时空分辨信号图像,结合灰体辐射理论模型,计算得到了冲击波速度19.06 km/s时铝材料的冲击温度达2.95 eV,该温度与SESAME库中冲击温度接近。研究结果表明采用该测温系统能够有效诊断金属材料的冲击温度,为后续进一步获取金属材料冲击温度数据奠定了基础。     

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。     

强激光反射镜基体材料的热畸变特性有限元分析

 利用有限元方法数值模拟了单晶硅（Si）、铜（Cu）、钨(W)、氧化铍(BeO)等镜体材料的热畸变特性。结果表明：当入射激光功率为2 kW、镜面反射率为93%、光斑直径为17 mm、激光照射时间为10 s时,四种材料基板的中心最大热变形分别为0.984,3.32,1.55,1.88 μm。相比之下,Si镜的热变形最小,是比较理想的镜体材料;Cu镜的热变形最大;W和BeO两种材料的镜热变形介于Si镜和Cu镜之间,具有较高的强度和硬度,抗破坏能力较强。     

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。     

Theoretical and experimental investigation of thermal effects in a high power Yb-doped double-clad fiber laser

In this paper, based on the thermal conduction equations and the steady-state rate equations, a theoretical and numerical analysis of thermal effects is investigated for a single end pumped Yb-doped double-clad fiber laser (YDDC). The distributions of signal power and temperature for different pump powers and fiber parameters are compared. According to the results, the parameters of the optical-cavity have been optimized and an effective method has been adopted to reduce the thermal effects in an experimental investigation. As a result, an output power of 621 W has been obtained with a slope efficiency of 78%.     

高功率掺镱双包层光纤激光器中光纤损伤及其理论分析

针对高功率掺镱双包层光纤激光器热效应引起的光纤损伤情况,由热传导方程,结合边界条件推导了两端泵浦情况下双包层光纤激光器光纤内的温度分布及热效应引起的应力分布,并对光纤内的温度分布和应力分布进行了数值模拟.结合模拟结果,对光纤的损伤进行了解释,分析了引起光纤热效应的主要因素.对两端泵浦情况的模拟与分析符合高功率光纤激光器的实际工作情况,这对优化高功率光纤激光器的设计有一定的参考价值.     

高能激光对四象限制导器件的影响分析

为了有效地实施激光干扰,需要确定高能激光对四象限制导器件的影响。分析了由高能激光诱导的四象限制导器件的温升分布。理论分析和数值计算表明,在持续的强激光作用下,会造成光电材料的硬损伤。利用典型的比例导引跟踪系统的系统函数,验证了高能激光对四象限制导器件实施激光干扰的有效性。     

Phase distortions due to temperature rise of optics irradiated by periodically repeated short pulses

Temperature variation and wave front distortions due to temperature rise and thermal stress, in rotationally symmetric and isotropic optical elements irradiated by periodically repeated short pulses, have been calculated. The analytical expressions of the periodically varying temperature distributions have been obtained by making full use of the periodicity of the pulsed laser system. For the case where the diameter of optical element is considerably larger than the thickness and the temperature variation along the thickness direction is negligibly small, the plain approximation has been used to estimate phase distortions. The results have shown that the polarization-independent phase distributions due to thermal deformations of the optical element may be of concern, especially if one considers the fact that the phase distortions of the light wave may be accumulated after passing through several optics.     

高功率梯度掺杂增益光纤温度特性理论研究

在高功率光纤激光器中, 增益光纤的热效应是限制激光功率进一步提高的重要因素之一. 为了降低增益光纤的最高温度, 提出了一种通过改变增益光纤的掺杂浓度分布, 分散光纤激光的热效应, 从而提高激光输出功率的方法. 基于速率方程模型和热传导模型, 在光纤激光放大器输出功率大致相当的情况下, 对几种不同掺杂方式下增益光纤中的热分布和放大器的输出功率进行了数值模拟. 研究结果表明: 增益光纤的梯度掺杂可以优化光纤中的温度分布并提高光纤熔接点的稳定性; 同时兼具提高输出光束的光束质量、抑制光纤中非线性效应和模式不稳定的效果, 是提高光纤激光放大器输出功率切实可行的办法. 研究结果可以为高功率光纤激光器中增益光纤的设计提供一定的参考.     

Thermal effects in high-power Nd:YAG disk-type solid state laser

An investigation of thermal effects in a high-power Nd:YAG disk-type solid state laser pumped with different pump beam transverse profiles is carried out by numerical simulation based on the finite element method (FEM). Impact of the heat sink on the thermal effects is included in the simulation. The distribution of first principle stress, thermally induced birefringence, including the distribution and variation of the birefringence loss, are studied. The characteristics of the phase variation are analyzed with consideration of the temperature gradient, deformation, strain and thermal stress. Thermal lensing is explored as a function of pump power and of the radius pumped with different pump beam transverse profiles. The non-parabolic part of optical phase distortion is simulated. Furthermore, the characteristics of the bi-focus of the disk laser are also studied. Experiments on the maximum tensile stress distribution and depolarization loss are carried out. The presented calculations are in qualitative agreement with the experimental observations.     

强激光对预应力结构件破坏的细观分析

 利用扫描电镜对预应力简单结构件强激光破坏实验的部分试件残片进行了表面、断口和金相观察，分析了强激光对LY12(CZ)铝合金材料性能的影响，初步分析了热力联合加载下材料失效的原因和基本特征，为进一步分析激光破坏机理提供了细观损伤的依据。