激光辐照下固体材料的温度分布理论研究

 考虑到有限厚介质的表面热对流，利用格林函数方法理论计算了强激光作用下介质材料的3维温度分布，给出了温升与材料尺寸的关系式及其关系曲线。以单晶硅材料为例进行了模拟计算，结果表明：温升不仅与材料本身的性质（热容，热导率，密度）密切相关，而且还与材料的吸收系数，激光加热参数（功率密度，能量分布，光斑大小，作用时间），以及对流换热系数有关。在激光照射的初始阶段，材料表面温度迅速增加；其后，随着激光照射时间的增加，温度增加量逐步变缓。     

激光加热温度场物理分析

本文采用数值模拟法分析了激光加热温度场分布，此方法简单具有一般性，没有解析法通常所有的局限性。分析了材料表面热辐射，激光作用时间及功率密度对温度场分布的影响，作者认为此数值模拟结果是符合实际的。     

切向气流作用下玻璃纤维复合材料的激光辐照效应

实验研究了样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时,976 nm连续激光对玻璃纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应。结果表明:无气流时,喷出的热分解产物会对入射激光产生屏蔽作用;有气流时,激光对玻璃纤维的破坏方式是其升温熔化后再被切向气流带走;当激光功率密度较低时,切向空气气流以加强样品表面的对流冷却作用为主,不利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏;当激光功率密度较高时,切向空气气流以降低屏蔽作用和提供氧气助燃为主,有利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏。三种气流状态下,质量损失随功率密度呈现单调增加趋势,当入射激光功率密度在100~600 W/cm2范围内,随着功率密度的增大,激光能量的利用效率逐渐增大并趋于稳定。     

CO2激光加热硅芯光纤预制棒的温场分布

研究了10.6 m CO2激光加热硅芯光纤预制棒的温场分布，在考虑预制棒表面热辐射和空气对流的情况下，用有限元软件COMSOL Multiphysics建立了激光加热预制棒的传热物理模型，比较了激光功率、激光光斑半径和预制棒直径对温场分布的影响，同时提出CO2激光加热与石墨炉加热结合调节温场分布的方法。仿真结果显示，激光参数和预制棒直径都会明显影响预制棒温场分布，且激光光斑半径3 mm，功率达到400 W的激光器可用于直径10 mm内的硅芯光纤预制棒制备硅芯光纤。通过CO2激光加热和石墨炉加热相结合的加热方式，能更加灵活有效地调节预制棒的温场分布，构建适合硅芯光纤拉丝的温场条件。     

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明：考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明：热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。     

亚临界与超临界压力水在管内的对流传热与传质

本文对含有金属腐蚀物杂质的亚临界与超临界压力水在竖直加热圆管内的受迫对流与混合对流传热与传质进行了数值模拟，分析了变物性、浮升力以及压力等因素对管内对流传热与传质的影响。结果表明：浮升力使自下而上流过竖直加热圆管的对流传热和传质增强；在不同的温度条件下，超临界压力水的热物性对传热传质的影响有很大不同。     

大功率光纤激光大气传输特性的研究

影响激光传输效果的主要因素包括大气分子和气溶胶粒子吸收以及由散射造成的衰减效应、大气湍流引起的湍流效应和强激光加热空气造成的热晕效应。针对光纤激光的大气传输进行了研究,研究了在1080nm特定波长的光纤激光大气传输过程中的大气湍流、热晕效应、湍流热晕相互作用对光纤激光远场功率密度的影响。     

高强度激光加热薄层物料的数值模拟

本文对一侧表面存在对流换热的薄层物料受高强度脉冲激光加热的双曲型热传导问题利用有限差分方法进行了数值求解。考虑激光的容积吸收,将高强度脉冲激光处理为沿光程指数衰减的内热源。本文对考虑容积吸收及对流换热的影响后双曲型热传导方程的计算结果进行了分析。     

高速气流中激光加热平板数值模拟与分析

 采用流固耦合方法,数值模拟了高速流场中激光作用下来流速度对平板温度分布的影响。结果表明:无激光辐照时,高速气流中平板有较高的气动生热平衡温度,且平板-气流之间的换热系数随来流速度增大而增大;在平板前沿换热系数增长最快,沿平板长度方向增速趋于平缓。分析了激光辐照时高速气流中激光加热平板的温度分布情况,考察了来流速度不同时,气动生热、散热和激光辐照对平板温度的影响,给出了激光辐照后的温升情况和温度分布,分析了在不同速度来流下,对流散热、摩擦生热和激光加热之间的竞争关系,结果表明,平板温度具体分布主要是加热过程竞争的结果。     

1 319 nm连续激光辐照皮肤组织的光热效应实验研究

实验测定了离体人皮肤组织在1 319 nm连续Nd:YAG激光辐照下径向和轴向不同位置的温度分布,研究了激光辐照功率密度和作用时间对皮肤组织温升分布的影响.结果表明,皮肤组织中的温度分布与探测位置、激光辐照功率密度以及作用时间密切相关;激光输出功率密度15.80 W/cm2时安全辐照时间阈值为120 s,功率密度48.92 W/cm2时安全辐照时间阈值为6 s.     

脉冲激光烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布与激光功率密度分布的研究

用较为符合实际的高斯分布表示了脉冲激光输出功率密度分布，讨论了脉冲激光功率密度分布函数形状变化对烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布的影响。建立了考虑热源项的热传导方程，并给出了相应的边界条件。以Si为例，用有限差分方法模拟了温度随时间、位置的变化规律，模拟过程中强调了对边界条件的处理，使整体截断误差保持最小。通过改变脉冲激光功率密度分布函数的形状，分析了温度分布的变化。结果表明，相比恒定脉冲功率密度输出，功率密度高斯分布的激光束与靶材作用时高温阶段的温度变化率变大，靶材表面熔融时刻热扩散距离增加；当激光器上升沿变陡时，在有效作用时间内温度上升得更快，对加工区域周围热效应的影响明显减弱，而热扩散距离变小。     

一种偶氮接枝聚氨酯材料的光致变色性质

采用接枝共聚的方法合成了一种具有偶氮侧基的聚氨酯材料，利用旋转涂膜法制备了该材料的薄膜。在室温下测试了该薄膜的吸收光谱和光致变色性质。并且研究了曝光时间与激光功率密度对光致变色性质的影响。发现，该材料在波长为532nm激光作用下，500nm处吸收减弱，360nm处吸收增强。随着曝光时间的延长和激光功率密度的增大，这种变化趋势增强。     

HL-1M装置在NBI期间注入H弹丸和Al杂质的辐射损失特性

使用十六道探测器阵列在HL1M装置上对中性束加热等离子体中注入氢丸和铝杂质的辐射损失功率进行了测量。通过对测量数据的分析,获得了以下主要实验结果:(1)中性束加热等离子体辐射损失功率密度分布在等离子体小半径(35)a范围内较平坦,辐射功率密度为0.1W·cm-3左右;(2)在中性束加热期间,用激光吹气注入铝杂质,辐射损失功率密度增加了1倍,但它的分布不明显峰化;(3)注入的氢丸使等离子体辐射损失功率密度增加了2倍多,且辐射损失功率密度分布显著峰化。     

垂直矩形窄通道内饱和沸腾起始点实验研究

实验以去离子水为工质,研究矩形窄通道内饱和沸腾起始点的影响因素。通过改变矩形板的壁面加热功率密度,工质的质量流量和入口温度分析饱和沸腾起始点的变化规律.实验得出:饱和沸腾段随着加热功率密度的增加而增加,随着质量流量的增加而缩短,随着入口温度的增加而增加,但入口温度在高加热功率密度时对饱和沸腾起始点的影响相对较小,在低加热功率密度下影响较大。     

宽带KrF激光抽运的受激布里渊散射反射率研究

实验上研究了宽带KrF激光抽运的受激布里渊散射(SBS)随抽运功率密度、介质气压和透镜焦距这三个实验参数的变化规律.在较低的抽运功率密度情况下，SBS反射率随抽运功率密度呈非线性增长；当抽运功率密度提高到一定程度，SBS反射率接近饱和；当功率密度继续增大，SBS 反射率随之下降.介质气压提高能够促进SBS的转换.透镜焦距长度的变化使SBS饱和反射率存在一峰值.理论上建立了宽带多模SBS模型，数值模拟结果与实验结果符合得很好，解释了宽带SBS反射率对实验参数的变化规律. 关键词： 宽带 KrF激光 受激布里渊散射(SBS) 反射率     

30J能量驱动类镍银X光激光的理论研究

 在1.2×10¹³W·cm^－2低功率密度下，对基频激光预主短脉冲驱动类镍银X光激光机理进行了数值模拟和理论分析。证实了在靶长23 mm范围内X光激光都能获得有效放大，取得了和实验相符合的结果。考虑了单柱面镜线聚焦沿靶长度方向功率密度的非均匀性对X光激光放大的影响，采用弯曲靶能有效克服折射以及单柱面镜线聚焦功率密度非均匀带来的不利影响。理论模拟给出的类镍银X光激光的出光下限泵浦功率密度也与实验符合得很好。理论模拟还表明，采用1%左右的预脉冲强度并对预主脉冲时间间隔进行优化，X光激光的输出能量和能量转换效率将获得大幅度提高。     

连续和重复频率激光对旋转壳体加热效率的数值模拟

 基于有效利用激光能量的目的,采用有限元分析方法分析并比较了重复频率和连续激光对旋转壳体的加热效率。数值计算结果表明：重复频率激光要比连续激光的加热效率高,而且加热效率与重复频率、占空比等有关;在平均功率密度相同的前提下,在频率相同条件下,占空比减小,温度上升加快,即加热效率随占空比的减小而增大;在相同占空比条件下,重复频率越小温度周期变化越明显,振荡峰值越大,当占空比较小时随着辐照时间的增加重复频率对加热效率影响减小。     

激光加热物体的三维模型计算

将物体的热传导系数、比热容、密度、物体对激光的吸收系数考虑成温度的函数,并考虑到物体向周围空间有热辐射和对流换热交换能量等情况下,用控制容积法对激光加热物体作三维真实边界的计算分析.这一结果在激光加热物体温度场的计算上有广泛的实用性.     

固体熔化过程中不同流动与传热机理分析

1引言随着激光加工技术的发展以及太空高新性能材料探索，具有自由表面的固液相变问题倍受关注[1]。由于从上方加热熔化问题，熔池内不易产生自然对流，因此常忽略了对流，传导作为唯一传热机理。但自由表面由于有温度梯度，势必存在Marangoni流的作用[2]，其结果可能将与传导模型有很大差别。本文将针对这类过程，考察浮升力、表面张力对固液界面的形状、位置及熔池流场的影响。计算中将固相、液相分开，分别采用相应的数学物理方程解决，边界通过移动边界能量守衡方程进行处理，揭示表面张力在熔化过程中的作用及影响。2数学描述与计算方…     

激光-纳米丝靶相互作用过程中超热电子的加热机理研究

超热电子的产生及其转化效率是快点火中的重要研究内容，也是优化快点火中的激光等离子体参数、降低对点火脉冲能量需求等方面的重要依据．纳米丝靶是提高激光一超热电子转化效率的一种有效途径，为了进一步理解激光．纳米丝靶相互作用中超热电子的产生过程以及加热方式，本文应用二维PIC（Flips2D）程序进行了相关的数值模拟．通过研究电子在丝靶中的运动轨迹发现了远离互作用面的冷电子通过回流的方式向互作用面运动，然后在互作用面附近与激光场相互作用被加热；研究了单个激光周期内电子密度和电子能量密度的变化，确定了反向运动的电子的能量要远小于前向运动的电子能量，确定了反向运动的电子大部分是冷电子的回流；通过研究场与电子空间位置随时间变化的关系，确定了丝靶中超热电子的加热机理为J×B机理．