长脉冲高能激光能量测试技术的研究

用锥形腔量热式激光能量计,测量了在不同脉冲宽度条件下,脉冲激光能量和激光吸收腔温升之间的关系,并用传统的方法得到不同激光能量对应的温升,并按照有关公式计算得到激光能量,结果表明实际激光能量和按传统方法计算得到的激光能量之间存在较大的差距;我们从理论上分析了由于热辐射、热传导影响,得出锥形吸收腔时间温度曲线关系的数学模型;用该数学模型对测量得到温度时间曲线进行最小二乘法拟合,拟合曲线和实际曲线非常吻合;通过该曲线我们对测量结果进行修正,和传统数据处理方法比较,该方法得到的结果更接近真值.     

绝对吸收式激光能量计高准确度校准技术研究

采用量热法的高能激光能量计用于测量能量大于50 kJ的连续波高能激光能量,通常用已知功率的连续激光开展激光能量计的光电校准需要激光照射时间超过20 min,而由于热损失等原因,进行长时间激光能量校准时,校准不确定度高达12%。以量热式平面吸收高能激光能量计为模型,从理论上分析了热辐射、热对流对连续波高能激光能量测量结果的影响,得到了较准确的平面吸收腔激光能量计冷却数学模型,实现了能量计热损失补偿,并通过建立相应的实验装置验证了该模型,用其对装置的测量结果加以修正,可使光电校准的测量不确定度减小到1%以下。     

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。     

阶梯反射锥型高能激光能量计温度场控制技术

高能激光会造成吸收体材料表面的温度急剧升高甚至损坏,同时造成吸收体上长期存在较大的温度梯度,这给温度的准确测量造成了很大的难度,为解决上述问题,提出了一种阶梯状镀金反射锥和V型槽结构的吸收体,通过对镀金锥的设计将能量分配到吸收体各部分上,研究了V型槽的几种设计方法对温度场和表面温度的影响,研究表明通过对吸收体各部分的质量和V型槽的参数控制可以大幅降低吸收体各部分的温度梯度、吸收体表面温度和吸收体的平衡时间,从而提高高能激光能量计的激光损伤阈值,并降低温度准确测量难度和减少热损失,最终达到提高准确度的目的。     

绝对式高能量激光能量计温度特性研究

对绝对式量热法高能量激光能量计吸收腔的内、外壁温度差特性进行了详细的理论研究和实验验证。用第二非齐次边界条件和第二齐次边界条件的热传导方程分别建立了吸收腔在激光加热过程中和激光加热结束后的温度分布，利用模拟实验对激光照射吸收腔的过程进行模拟，得到内、外壁温度差的实验数据。利用数值模拟法，对理论分析结果作数值分析，理论分析结果与实验数据非常接近，从而证明了在激光加热过程中，虽然吸收腔内外壁存在固定的温度差，但当激光结束后，该温度差将迅速减小，吸收腔达到热平衡。     

TA15钛合金激光沉积温度场数值模拟与检测

在综合考虑热源模型、对流辐射换热、相变潜热、材料非线性因素对激光沉积修复温度场影响前提下,建立了激光沉积修复的数学模型,采用有限元参数化设计语言（APDL）对多道多层激光沉积修复温度场进行了数值模拟。研究了激光沉积修复瞬时温度场及其中心高度上节点温度随时间变化情况,分析了修复件中心高度上温度梯度分布情况。搭建了激光沉积修复温度测量系统,对修复时表面温度进行了测量,并与模拟温度进行了比较,两者吻合较好。为控制激光沉积修复组织、提高修复质量提供有效手段。     

工作于非标准环境下体吸收型激光能量计的研制

研究了能直接工作于非标准环境下的体吸收型激光能量计.由能量计热传导、热对流、热辐射的单位时间热交换方程推导出单位时间内能量计升温过程中热能损失的数学模型,根据数学模型对能量计整个升温过程的热损失进行补偿,使得能量计对于不同脉冲长度入射激光的测量结果重复性由4.7%提高到了0.6%,消除了能量计热损失给测量带来的不利影响.针对环境温度从-40℃变化到70℃测温用铜-康铜热电堆对1℃温差响应电压剧增30%的问题,在环境试验箱进行不同环境温度下的激光能量测量实验,得出了能量计不同环境温度下测量结果的修正系数,并利用最小二乘法建立了修正系数同环境温度之间的函数关系,使得环境温度对测量结果的影响得到了修正.     

1.06 μm连续激光辐照TiO2/SiO2/K9薄膜元件温升规律研究

利用1．06μm连续激光在不同强度下辐照TiO2／SiO2／K9薄膜元件,实验中用红外热像仪测量激光辐照在TiO2／SiO2／K9元件表面引起的温升随时间的变化,通过数据处理,获得激光辐照区域最高温度随辐照时间的增加而增加。同时,给出材料温升随材料发射率的变化关系。并用程序模拟不同激光强度下薄膜温度场的分布,通过实验测量数据校正数值模拟计算结果,给出TiO2／SiO2／K9薄膜元件温度随激光辐照强度和辐照时间的变化规律。并且获得在薄膜厚度方向：薄膜表面温度最高,基底与薄膜接触处温度最低;沿径向：激光辐照中心温度最高,边沿温度最低。     

体吸收型激光能量计能量损失补偿方法的研究

借助传热学基本理论对体吸收型激光能量计因热辐射、热对流和热传导造成的热能损失进行了分析，在此基础上建立了能量计热能损失的数学模型。根据数学模型采用最小二乘法对测量数据进行了曲线拟合，得到与实际降温曲线非常接近的拟合曲线。利用拟合曲线对测量数据进行补偿修正后使得能量计的测量重复性得到了很大提高。该方法对于体吸收型激光能量计的研制具有一定的理论意义。     

高功率激光参量诊断技术研究

研究了如何准确测量惯性约束聚变实验中的激光能量和脉冲时间波形．从主光路上引出一束光，经衰减器后送入能量计，能量计放大器输出的模拟信号经归一化处理、A／D转换后输入8098单片机．数据采集完成后，再通过光耦合通信网和接口电路传输到中央控制室．通过超高速光电探测器把另一束激光转换为电脉冲信号，输入示波器，再经过GPIB总线接口和GPIB—LAN适配器AD007，使用虚拟仪器（VISA）语言经千兆以太网传输到中央控制室．对脉冲波形数据用小波滤波和自适应算法提取出脉冲时间波形参量．     

Research on the temperature field in laser hardening

Temperature field in the laser hardening process was numerically simulated by MSC.Marc software. The influence of energy density on laser hardening effect is analyzed. Simulation result is verified through the thermocouple temperature transducer measuring the specimen surface temperature under the laser irradiation. Experimental curves of temperature versus time are in agreement with simulation results. The simulation results can be regarded as a basis for choosing laser technological parameters.     

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。     

高能激光武器目标打击的多物理场系统仿真

由于高能激光武器破坏目标的瞬时性、反应的复杂性以及测试成本高昂,使得通过实验评估激光武器的毁伤威力具有很大难度,因此,通过数值模拟的方法对其毁伤威力进行建模仿真可以有效评估其攻防性能。在计算温度场时考虑了相变情况下材料导热率的变化以及材料熔化时熔化潜热对温度场的影响,建立了相应的位移场、应力场数理模型并进行模拟。将多物理场模型整合到仿真系统中,对激光武器打击目标的过程进行了系统仿真,模拟出不同工况下高能激光武器对目标的毁伤效果。仿真结果表明,激光辐照Al材料3.01 s时,激光实时功率密度为0.930 8 W/cm2,材料外壁面温度达到600℃,内壁面温度为352.522℃,此时材料表面刚刚达到熔化,但其所受应力已使材料发生脆性断裂,材料已被破坏。     

高能激光能量计测温电阻温度标定研究

对绝对量热式高能激光能量计测温电阻丝的温度特性进行了研究.以锥形吸收腔高能激光能量计为实验模型，分别对处于自由状态下以及缠绕于能量计吸收腔表面后的测温电阻丝的温度电阻特性进行了实验分析.结果表明,两种状态下测温电阻丝的电阻随温度变化规律并不相同.用最小二乘法对测温电阻丝的电阻与温度实验数据进行数据处理并建立补偿模型，从而对缠绕于吸收腔表面后的测温电阻丝的电阻温度关系标定，经修正后能量计的测温电阻和Pt100电阻的偏差小于0.01 Ω，温度偏差小于0.02 ℃，从而提高了能量计测温准确度.     

现场激光能量计量技术的研究

由于激光能量计传感器的灵敏度与温度条件有关，在温差较大时，有的传感器灵敏度偏差可达到16%，因而在靶场、野外现场温度条件下，现有的激光能量计无法进行准确测试。为了解决这一问题，研制了一种新型的现场激光能量计。在现有激光能量计的基础上，通过选择相对透明、吸收层相对较厚(毫米量级)、热敏面不易损伤的激光吸收材料，对激光能量计内置温度传感器及数字处理电路进行了重新设计，满足了不同温度条件下现场能量测量的需求。     

现场用激光能量计校准方法的实验研究

在激光功率能量测量当中,军用激光现场检测环境温度和实验室环境温度相差很大,而激光能量计的传感器灵敏度与环境温度条件有关,不对激光能量计进行温度灵敏度校准,将严重影响测量结果。针对目前存在的问题,本文提出将激光能量计放置于温控制箱中,脉冲激光器输出的激光经过分光镜分束后分为2束激光,其中透射光由标准能量计或现场激光能量计接收,反射光由参考能量计接收,在-50℃～70℃的温度范围内进行校准的一种新方法,并进行原理性的验证实验及结果分析,得到了能量计灵敏度系数关于环境温度的函数关系,使得能量计在非标准环境下进行准确测量成为可能。为激光能量计现场测试校准技术的研究提供了一种可靠的新途径。     

波段外10.6 μm激光辐照下光导型HgCdTe探测器的电学响应

利用描述半导体内热载流子效应的１维能量平衡模型,对波段外10.6 μm激光辐照下光导型HgCdTe探测器的电学响应进行了数值模拟。结果表明：在激光开始辐照和停止辐照瞬间,探测器电阻的快速变化是由载流子温度的迅速变化引起的;在激光辐照过程中以及激光停照后,探测器电阻的缓慢变化是由晶格温度的缓慢变化进而导致载流子温度发生缓慢变化所致。模拟结果与对实验曲线的定性分析得出的结论一致。     

ITER超导纵场线圈内馈线系统传热分析

ITER超导纵场线圈内馈线系统位于主机杜瓦内,由18个盒体分别悬挂于相应纵场磁体终端,通过连接件组成多边形环。通过对内馈线在整个装置降温收缩过程的分析,采用有限元分析法对内馈线稳态及瞬态温度场进行数值模拟,得到内馈线的热负荷值、温度分布、温度及变形的时间历程曲线,为内馈线冷却方案的确定和降温时间的预测等提供了可靠验证。