熔石英亚表面横向划痕调制作用的3维模拟

建立了熔石英后表面3维横向划痕模型,并采用3维时域有限差分方法对熔石英亚表面划痕周围的电场强度进行了数值模拟,分析了划痕宽度、深度、长度以及划痕倾斜角度对入射光场的调制作用,结果表明:随划痕深度和划痕长度的增加,熔石英内的最大电场强度增大,且当划痕长度达到1μm以上时,最大电场强度趋于稳定;划痕结构因子在1~2之间的划痕较容易引起熔石英损伤;而入射激光在划痕界面和后表面之间发生内全反射时,后表面上的光强增强效果更加明显,因此减少角度范围在20.9°~45°之内的划痕能大幅提高熔石英的损伤阈值。     

熔石英亚表面横向划痕调制作用的3维模拟

建立了熔石英后表面3维横向划痕模型,并采用3维时域有限差分方法对熔石英亚表面划痕周围的电场强度进行了数值模拟,分析了划痕宽度、深度、长度以及划痕倾斜角度对入射光场的调制作用,结果表明：随划痕深度和划痕长度的增加,熔石英内的最大电场强度增大,且当划痕长度达到1 μm以上时,最大电场强度趋于稳定;划痕结构因子在1～2之间的划痕较容易引起熔石英损伤;而入射激光在划痕界面和后表面之间发生内全反射时,后表面上的光强增强效果更加明显,因此减少角度范围在20.9°～45°之内的划痕能大幅提高熔石英的损伤阈值。     

熔石英损伤修复坑下游光场调制的数值模拟与实验研究

系统研究了熔石英激光损伤修复后的形貌特征,根据测量数据建立了典型的损伤修复坑三维模型,利用标量衍射理论并结合快速傅里叶变换算法研究了修复坑在351 nm激光辐照下游光场调制的分布规律.研究表明,修复坑引起的光场调制会使得下游不同距离位置处出现环形光场增强区和轴上位置光场增强点;环形光场增强区位置距离修复元件较近,其环形调制极大值主要受修复坑深度的影响,且随修复坑深度的增大而逐渐增加;轴上位置光场增强点位置距离修复元件较远,其轴上调制极大值主要受修复坑边缘凸起高度的影响,且随凸起高度的增大而快速增加;环形调制极大值或轴上调制极大值增大的同时,其分布位置与修复元件之间的距离均会逐渐减小.实验验证表明,利用三维修复坑模型得到的下游光场调制数值模拟结果与实验测量结果具有较好的一致性.本研究结果对控制熔石英元件损伤修复形貌特征以抑制调制增强效应给出了具体的控制方向,对修复工艺的改进与完善提供了非常有意义的参考.     

熔石英亚表面三维Hertz锥形划痕附近光强分布的数值模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的调制是导致光学材料损伤的主要因素.本文建立了熔石英后表面上三维Hertz锥形划痕模型,采用三维时域有限差分方法对划痕周围的电场强度进行了计算模拟,并分别讨论了划痕的深度、半径以及倾斜角度对入射光场调制作用的影响.结果表明：Hertz锥形划痕中心区域的电场增强效果最明显,最容易被辐照损伤;划痕的深度从λ变化到9.5λ的过程中,熔石英内的最大电场强度逐渐增大;半径小于15λ的Hertz锥形划痕较容易引起熔石英的损伤,当半径大于175λ时,熔石英内的最大电场强度都维持在2.5 V/m,不再受半径大小影响;当入射激光在划痕的内侧界面和熔石英后表面之间发生内全反射时,光场增强效果愈加明显. 关键词： 三维时域有限差分 Hertz锥形划痕 电场分布 数值模拟     

熔石英亚表面三维Hertz锥形划痕附近光强分布的数值模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的调制是导致光学材料损伤的主要因素.本文建立了熔石英后表面上三维Hertz锥形划痕模型,采用三维时域有限差分方法对划痕周围的电场强度进行了计算模拟,并分别讨论了划痕的深度、半径以及倾斜角度对入射光场调制作用的影响.结果表明：Hertz锥形划痕中心区域的电场增强效果最明显,最容易被辐照损伤;划痕的深度从λ变化到9.5λ的过程中,熔石英内的最大电场强度逐渐增大;半径小于15λ的Hertz锥形划痕较容易引起熔石英的损伤,当半径大于175λ时,熔石英内的最大电场强度都维持在2.5 V/m,不再受半径大小影响;当入射激光在划痕的内侧界面和熔石英后表面之间发生内全反射时,光场增强效果愈加明显.     

倾斜度及温度震荡频率对三维多孔介质方腔自然对流换热的影响

对三维多孔介质倾斜方腔内非稳态自然对流换热进行数值研究.腔体右壁面(X=1)保持恒温T₀,左壁面(X=0)基于温度T₀按正弦规律变化,其他所有壁面保持绝热.采用Brinkman扩展达西模型及SIMPLE算法模拟方腔内的流动.方腔沿y轴转动倾角α1的变化范围为0°~90°,沿x轴转动倾角α2的变化范围为0°~45°,无量纲温度震荡频率f的变化范围为5π~90π.详细研究倾角和温度震荡频率对三维方腔自然对流换热的影响.计算结果表明:当倾角α1=46°,α2=45°及温度震荡频率f=45π时,方腔内的换热最强.     

臂型网格结构增强石墨烯电调制太赫兹透射

为提高单层石墨烯薄膜电控太赫兹调制器的调制深度,提出一种臂型金属网格微结构与石墨烯结合的太赫兹波透射调制器件.通过臂型金属网格结构激发的共振耦合场增强石墨烯与太赫兹波的相互作用,使石墨烯在外加电压调制下对太赫兹波透射幅度的调制深度获得大幅提升.通过有限元仿真分析了金属结构参数对石墨烯与太赫兹波相互作用增强规律的影响,理论结果表明,臂型网格结构使石墨烯对太赫兹波透射幅度调制深度从7.7%提升到了28.2%.在理论结果的基础上,基于光刻工艺完成了器件的结构制作,实验测试中获得了24%的太赫兹幅度调制深度,且调制深度曲线与理论仿真规律基本一致.     

划痕型缺陷对光场质量的影响

为了研究高功率激光系统中划痕型缺陷对光场质量的影响,采用分步傅里叶算法对非线性近轴波动方程进行求解,模拟分析了不同划痕参数（长度、宽度、深度）下,元件内部、光束近场、元件后传输光场以及光束远场的光强分布情况。数值模拟结果表明：随着划痕长度、宽度或深度的增加,元件内部以及元件后传输光场的峰值强度和对比度均会相应增强;光束近场的光强对比度也会略微增大;对于光束远场的强度分布,与划痕宽度方向所对应的频谱能量会不断增强。该项研究工作可以为划痕检验标准的制定提供一定的定量分析依据。     

划痕型缺陷对光场质量的影响

为了研究高功率激光系统中划痕型缺陷对光场质量的影响,采用分步傅里叶算法对非线性近轴波动方程进行求解,模拟分析了不同划痕参数(长度、宽度、深度)下,元件内部、光束近场、元件后传输光场以及光束远场的光强分布情况。数值模拟结果表明:随着划痕长度、宽度或深度的增加,元件内部以及元件后传输光场的峰值强度和对比度均会相应增强;光束近场的光强对比度也会略微增大;对于光束远场的强度分布,与划痕宽度方向所对应的频谱能量会不断增强。该项研究工作可以为划痕检验标准的制定提供一定的定量分析依据。     

基于飞秒激光微加工的介质膜损伤修复研究

针对波长1053 nm, 0°高反介质膜元件, 采用有限时域差分法, 模拟分析了损伤修复点边缘与法线的夹角对膜层内电场强度分布的影响, 该角度越小, 修复点的损伤阈值越高. 通过优化飞秒激光微加工过程中的焦斑尺寸、脉冲能量、扫描步长和扫描次数等参数, 获得了夹角为25°、深度为14 μm的修复点. 该修复点典型的损伤阈值为21 J/cm², 是修复前的2.3倍, 50个修复点的测试结果表明该修复参数具有非常好的可重复性. 修复点的测试结果还验证了修复点边缘与法线的夹角大小与其损伤阈值的关系, 45°的电场强度最大值约为25°的2.5倍, 而45°的损伤阈值约为25°的1/2, 模拟和实验结果一致性较好. 同时, 实验验证了微加工的激光脉宽对修复点损伤阈值的影响, 在只改变脉宽的情况下, 脉宽越长, 损伤阈值越低.     

The electric field modulation by three-dimensional crack on fused silica subsurface

The main factor of laser-induced damage is the modulation to electromagnetic field of laser by the crack on the subsurface. In this paper, a three-dimensional crack model on the exit surface is presented. Three-dimensional finite-difference time-domain (FDTD) method is employed to simulate the electric field intensity distribution in the vicinity of crack on fused silica subsurface. The roles of the crack width, depth, length and the gradient angle in the modulation to the incident light field are analyzed in detail. Results show that the crack size plays an important role in the electric modulation. With the increasing depth and width, the peak value of maximal electric field intensity appears in fused silica. However, the maximal electric field intensity tends to be a constant when the crack length reaches 1 μm. Besides, the enhancement of light intensity becomes obvious when total internal reflection occurs in fused silica. Our calculated results provide an advisable theoretical criterion to the corresponding experiment.     

斜入射SH波厚壁管道内壁裂纹检测方法研究

厚壁管道常被用于军事装备及其他流程工业中,长期使用后内壁会产生较多微裂纹,成为影响构件安全运行的重大隐患。为此,本文针对厚壁管道内壁裂纹难以检测的问题,提出基于斜入射SH(Shear Horizontal)波的厚壁管道检测方法,对厚壁管道内壁不同深度的裂纹进行检测。本文首先对斜入射SH波的激励原理进行分析,建立声场模型优选激励频率,研究斜入射SH波与厚壁管道内壁裂纹径向深度的作用规律,并通过实验对仿真结果进行验证。研究结果表明,斜入射SH波对该型管道最佳检测频率为1MHz;随着裂纹径向深度增加,缺陷回波幅值呈现曲折型上升;斜入射SH波可有效对厚壁管道内壁轴向长8mm,径向深1mm和周向宽1mm的微裂纹进行检测,验证了斜入射SH波厚壁管道内壁裂纹检测方法的科学性和可行性。     

熔石英和磷酸盐钕玻璃表面三角形微裂纹对入射光的散射分析

采用时域有限差分方法(FDTD)模拟了石英玻璃和掺钕磷酸盐激光玻璃表面三角形微裂纹对入射光调制后的分布。TE模式光波入射,最大调制电场幅值出现在玻璃体内部;TM模式光波入射,最大调制电场幅值则发生在裂纹的缝隙中。两种入射光模式下,后表面的调制电场幅值增大倍数在相同裂纹条件下均比前表面大。TE模式入射时,当入射光在裂纹和玻璃表面相继发生全反射时,得到的调制电场幅值最大;后表面最大调制电场幅值随着裂纹在界面投影长度的增加、开口宽度的变大及裂纹深度的增加而分别增大。     

常压下液氮窄缝池沸腾实验研究

采用玻璃钢 (FRP)制成的矩形窄缝 ,对三种不同的间隙尺寸 ,分加热面与水平面呈 0°,4 5°,90°,135°,180°五种角度 ,以液氮为工质进行了 15组池沸腾实验。得出结论 :液氮在窄缝中的沸腾传热有明显的强化换热效果 ;加热面所处角度不同 ,在相同热负荷下壁面过热度亦不同 ,滑移汽泡和微液膜蒸发机理在通道中发挥的作用也相应不同。该研究对于有限空间传热强化的机理和实际应用都有一定的参考价值和指导意义。     

Estimating the sizes of surface cracks based on Hall element measurements of the leakage magnetic field and a dipole model of a crack

A method is proposed for estimating the sizes of surface cracks in magnetic materials. The method is based on applying a magnetic field, then determining the leakage magnetic field in the vicinity of a crack by moving a Hall element on the surface of the material along one or two scanning lines crossing the crack, and measuring the corresponding Hall voltage distribution. A dipole model of a crack is utilized, in which a surface crack is considered as being full of magnetic dipoles aligned parallel to the applied field, and whose density varies linearly along the depth of the crack. Analytical expressions are derived for the z-component of the intensity of the leakage magnetic field, and for the measured Hall voltage in the vicinity of a crack with an arbitrary cross-section along its long axis when it is perpendicular to the applied field. The crack sizes and the parameters of the distribution of magnetic dipoles along the crack depth are computed by crack inversion, which represents a regression for the Hall voltage distribution. A variable theoretical Hall voltage distribution is fitted to the measured Hall voltage distribution by minimizing the corresponding RMS error, which gives the unknown parameters at the end of the minimization. Hall voltage distributions are measured on ferromagnetic steel samples containing one artificial surface crack. Some crack inversions are performed for estimating the maximum crack depth and the crack width of cracks with rectangular and isosceles triangular cross-sections along the long crack axis. The accuracy of these crack inversions increases by utilizing either Hall voltage distributions measured along only one of the scanning lines, instead of along both scanning lines, or by using more precisely measured Hall voltage distributions. The fast and accurate estimation of the maximum crack depth and the crack width by such crack inversions could be important for pipeline inspection. Other crack inversions are performed for determining the cross-section along the long axis of the investigated cracks with satisfactory results. Received: 2 March 2001 / Accepted: 10 April 2001 / Published online: 25 July 2001     

激光诱导HF酸刻蚀后熔石英后表面划痕的损伤行为研究

用光学显微镜和原子力显微镜记录HF酸刻蚀后熔石英元件后表面划痕的形貌结构,并利用单脉冲激光对其进行辐照测试,以研究不同结构参数划痕的激光损伤特性.实验结果表明,由于HF酸的腐蚀钝化作用,划痕结构横向截面呈余弦形分布;其初始损伤阈值并非由单一的划痕宽度或深度参数决定,而是与其横向剖面结构的宽深比值密切相关;通过实验得到了二者之间的关系曲线,并采用时域有限差分算法对不同结构参数划痕附近光场分布进行理论模拟,理论场计算得到的增强结果与实验值符合得很好.