高功率薄片激光介质温度与应力数值模拟

NdYAG薄片激光介质采用上表面二极管阵列泵浦,下表面冷却的工作方式,对NdYAG薄片激光介质和Cu冷却器建立了理论计算模型.分别计算了在不同泵浦面积的条件下薄片的温度分布和应力大小,薄片泵浦面积大小与应力的关系,以及在NdYAG薄片与Cu冷却器之间增加与NdYAG热膨胀系数相近的介质层材料对应力影响的关系.计算结果表明在泵浦功率密度、外界温度和冷却条件一致的情况下,泵浦光泵浦整个薄片时总体应力最小,应力主要是由于NdYAG薄片与Cu冷却器热膨胀系数不匹配而产生的,增加介质层能改变应力大小;泵浦光泵浦部分薄片时总体应力较大,应力主要是薄片泵浦区与非泵浦区温差造成的,与介质层无关.     

Yb：YAG薄片激光介质的温度效应

研究了Yb:YAG薄片激光器中影响激光介质温度的几个因素,理论和实验均表明减薄Yb:YAG片并增加抽运光被YAG片吸收的次数,是降低激光介质温度,提高激光器输出功率和效率的有效途径。用0．35mm厚的Yb:YAG薄片获得了15．9W的1．03um激光输出,斜率效率超过40％。     

热容激光器激光介质的热力学数值模拟

热容激光器的热容管理模式与传统的实时主动冷却方式有着不同的温度、应力特性。为讨论激光介质的温度、热应力的分布和变化，建立了激光介质热力学计算模型。     

Yb∶YAG薄片激光介质的温度效应

研究了Yb∶YAG薄片激光器中影响激光介质温度的几个因素。理论和实验均表明减薄Yb∶YAG片并增加抽运光被YAG片吸收的次数 ,是降低激光介质温度、提高激光器输出功率和效率的有效途径。用 0 .35mm厚的Yb∶YAG薄片获得 15 .9W的 1.0 3μm激光输出 ,斜率效率超过 40 %。     

介质表面高功率微波击穿的数值模拟

研究了用于模拟高功率微波条件下介质表面击穿的静电PIC-MCC模型,并通过自行编写的数值模拟程序模拟了真空及不同气压条件下介质表面击穿过程中的次级电子倍增和气体电离等过程.模拟结果发现,在真空及低气压条件下,电子的主要来源是次级电子倍增,电子数量以两倍于入射场的频率振荡;在高气压情况下,电子的主要来源是气体电离. 关键词： 介质表面击穿 高功率微波 数值模拟 次级电子倍增     

450W二极管泵浦Nd：YAG薄片激光器

二极管泵浦高平均功率固体激光器在工业、科研和军事等领域具有非常广泛的应用。光学泵浦将在固体激光介质里产生废热并引起介质温度升高。激光器的连续运转要求实时冷却以消除废热。由于固体激光介质的热导率通常较低，因此在激光介质内部和冷却表面之间将产生显著的温度梯度，这就导致了折射率梯度、机械应力和退偏等效应，进而降低光束质量，减小输出功率，甚至造成介质的断裂。这些效应是固体激光器向高平均功率定标的最大挑战。采用薄片激光介质是解决这一问题的有效手段之一。     

二介质激光放大器工作特性的数值模拟

从简明的物理模型出发，首次从理论上模拟了二介质激光放大器的工作特性，表明它能够同时满足输出高能量，超短脉冲放大的要求。对实验中可能遇到的问题进行了模拟，并提出了解决的方法。     

高功率激光放大器反激光能流分布的模拟

从Frantz-Nodvik模型出发,采用包含弛豫作用的速率方程组,将放大器对反激光的放大当作多程放大处理,模拟计算了光路中反激光的能流分布。光路为钕玻璃放大系统,激光脉宽1.0 ns,输出能量2.5 kJ。放大器剩余增益的较大差异导致光路中各个元件反激光能流密度分布显著不同。与使用1级Φ70 mm棒状放大器相比,采用2级Φ70 mm棒状放大器时反激光能流相对集中,具有潜在的破坏危险。     

高功率激光放大器反激光能流分布的模拟

从Frantz-Nodvik模型出发,采用包含弛豫作用的速率方程组,将放大器对反激光的放大当作多程放大处理,模拟计算了光路中反激光的能流分布。光路为钕玻璃放大系统,激光脉宽1.0 ns,输出能量2.5kJ。放大器剩余增益的较大差异导致光路中各个元件反激光能流密度分布显著不同。与使用1级φ70 mm棒状放大器相比,采用2级φ70 mm棒状放大器时反激光能流相对集中,具有潜在的破坏危险。     

介质表面高功率微波击穿中释气现象的数值模拟研究

建立了一个简单的高功率微波(HPM)介质表面击穿释气模型,并采用PIC(partiele-in-cell)-MCC(Monte Carlo collisions)方法,通过自行编写的介质表面击穿数值模拟程序对不同释气条件下的介质表面HPM击穿过程进行了数值模拟研究,得到了击穿过程中电子数量等的时间图像和不同释气速度下的击穿延迟时间.模拟结果表明,对于具有一定时间宽度的HPM脉冲,当介质表面气体脱附速度较小时,由于介质表面气体层形成太慢而不会发生击穿;只有当脱附速度大于一定值时,击穿才会发生且击穿延迟时间在一定范围内随着脱附速度的增加而缩短.最后,将数值模拟得到的介质表面HPM击穿数据,与单极性表面击穿的实验诊断图像进行了对比,两者的发展趋势符合很好. 关键词： 释气现象 介质表面击穿 高功率微波 数值模拟     

热容激光器激光介质的热力学数值模拟

为模拟激光介质的温度、热应力的分布和变化,建立了激光介质热力学计算模型.该模型从激光介质的瞬态导热微分方程出发,得到沿纵向的热沉积功率密度,并将其作为该微元段的热载荷,加载到该微元段的泵浦区.考虑热容值、热导率、热膨胀系数和弹性模量等与温度的关系,得到激光介质的温度分布和变化,以及热应力的分布和变化.为热容激光器的实验和设计提供参考依据.     

板状激光振荡介质温度场和应力场的数值模拟

以非均匀内热源模型为基础,并考虑材料的导热系数和热膨胀系数的温度相关性,利用有限元方法,对板状激光振荡介质在不同功率和冷却强度下的温度和热应力分布进行了数值模拟及分析。根据计算结果提出了最大有效换热系数的概念,指出换热系数超过最大有效换热系数后,继续强化传热对减小高功率激光器的热效应已无明显效果。以此得出采用常规冷却技术所允许的最大泵浦加热功率。     

激光辐照金属/炸药复合介质温度场的数值模拟

 当激光辐照金属/炸药复合介质外表面时,在变物性及界面有接触热阻的条件下,用二维线性瞬态导焓方程,数值计算了介质内部温度场时空分布。作为特例,将常物性及无接触热阻下的数值解与相同条件下的二维线性瞬态导热方程的解析解相比较,结果表明数值法的计算程序及结果是可信的。     

激光辐照金属/炸药复合介质温度场的数值模拟

当激光辐照金属/炸药复合介质外表面时,在变物性及界面有接触热阻的条件下,用二维线性瞬态导焓方程,数值计算了介质内部温度场时空分布。作为特例,将常物性及无接触热阻下的数值解与相同条件下的二维线性瞬态导热方程的解析解相比较,结果表明数值法的计算程序及结果是可信的。     

热容激光器激光输出特性的数值模拟

热容激光器在激射过程中，激光介质的温度随工作时司升高，导致热容激光器具有特殊的激光输出特性。建立了描述热容激光输出特性的理论模型，给出了输出功率随激光介质温升及工作时间的变化关系。     

不同气压下介质表面高功率微波击穿的数值模拟

介绍了用于模拟介质表面高功率微波击穿的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法,并采用该方法模拟研究了氩气环境不同气压下的介质表面高功率微波击穿过程,获得了该击穿过程中粒子数量和电子平均能量的时间变化图像,并得到了击穿延迟时间。数值模拟结果发现：在低气压下,次级电子倍增的作用比较明显,但电子数量在次级电子倍增饱和后的增速较低,击穿延迟时间较长;随着气压的升高,次级电子倍增的影响逐渐变小,气体电离逐渐占主导地位,击穿延迟时间逐渐变短;在高气压下,由于介质表面吸收沉积电子而呈负电性,次级电子倍增消失,击穿延迟时间由气体碰撞电离来决定。     

Block模型与数值模拟法预测室内温度分布

本文采用Block模型对一室内的热环境进行理论计算,在垂直方向上空间被划分为五个区域,建立风量与热平衡方程进行计算,由此可以得到由于自然对流作用而产生的沿壁面上升或下降的气流以及室内垂直温度分布.此外,本文还利用商用软件Airpak以实测壁面温度作为第一类边界条件对室内的热环境进行了数值模拟,分析了室内垂直方向的温度分布,并采用国外实验数据进行验证.结果表明,两种方法得到的结果与实验测试结果基本一致.     

自由电子激光光导的数值模拟与分析

从一维自由电子激光理论出发,唯象地考虑衍射效应,计算和分析了光导效应的特点和规律;针对曙光一号装置的自由电子激光参数,利用二维理论对光场剖面、填充因子、光场半径等进行了数值模拟;根据计算结果分析和讨论了影响光导的因素和实验条件。     

多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用

本文详细讨论了多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用,开发了一套能自动生成多孔介质特性参数的通用程序。该程序主要基于三维交错网格及SIMPLE算法,然后运用该模型,采用改进的κ-ε模型和壁面函数法,对换热器壳侧的湍流流动进行了数值模拟。计算结果与换热器冷态实验结果符合良好,表明该模型和计算方法是切实可行的。     

飞秒激光多脉冲烧蚀镍钛合金的数值模拟

为了研究飞秒激光多脉冲累积效应对镍钛合金材料的影响,通过考虑多脉冲之间的时间间隔改写激光光源项,利用改进的双温模型,采用有限差分法,对飞秒激光三脉冲烧蚀镍钛合金的温度场分布进行数值模拟,得到了电子和晶格温度随时间和烧蚀深度的演化规律.分析了多脉冲累积效应的内在机理;讨论了三脉冲条件下不同参量对电子和晶格温度的影响.结果表明:镍钛合金在飞秒激光三脉冲的作用下,电子有3个递增的峰值温度,相比单脉冲的作用,三脉冲使电子和晶格温度明显升高;多脉冲的时间间隔直接影响多脉冲的累积效应;脉冲宽度影响电子的峰值温度和达到峰值温度所用的时间;激光能量密度影响电子和晶格的温度;电声耦合常量对电子与晶格的耦合时间和电子晶格的平衡温度也有重要影响.