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.     

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。     

固体热容激光器冷却方式的数值模拟

 固体热容激光器连续运转一段时间后，需要进行冷却，以进行下一次运转，因此冷却速度直接影响着热容激光器运转的效率和实用性。从热传导方程出发，以沉积热为内热源模型，利用有限元分析方法对激光二极管阵列从4个方向对称泵浦的板条Nd:GGG激光介质的温度场和和热应力场进行了数值模拟。并对冷却阶段分别采用过冷气体、水循环、喷雾、相变冷却方式时的介质温度和应力随时间变化过程进行了模拟。结果表明在相同条件下采用相变冷却方式能在较短时间内将介质冷却到初始温度。     

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。     

高功率薄片激光介质温度与应力数值模拟

Nd：YAG薄片激光介质一个表面采用二极管阵列泵浦，另一个表面冷却的工作方式，可以使薄片径向温度分布近似均匀，从而降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。针对Nd：YAG薄片激光介质的热效应问题建立了理论计算模型。分别计算了在不同泵浦条件下薄片的温度分布和应力大小，薄片泵浦条件变化与应力的关系，以及在Nd：YAG薄片与Cu冷却器之间增加与Nd：YAG热膨胀系数相近的介质层材料（复合金刚石）对应力影响的关系。     

固体棒状热容激光器的热分析

 计算出固体棒状热容激光器在不同散热边界条件下的温度分布和随时间的演变,与实验测量的结果进行了对比。计算结果表明：激光器工作在热容模式时,不同散热边界条件下激光介质内的温度分布在激光发射期间区别不大,激光发射期间,激光介质内的温度分布主要取决于泵浦光的吸收。但是散热过程中的不同散热边界条件下温度分布演化大不相同,此时的温度分布主要取决于散热边界条件。     

固体棒状热容激光器的热分析

计算出固体棒状热容激光器在不同散热边界条件下的温度分布和随时间的演变,与实验测量的结果进行了对比。计算结果表明：激光器工作在热容模式时,不同散热边界条件下激光介质内的温度分布在激光发射期间区别不大,激光发射期间,激光介质内的温度分布主要取决于泵浦光的吸收。但是散热过程中的不同散热边界条件下温度分布演化大不相同,此时的温度分布主要取决于散热边界条件。     

千瓦级二极管泵浦热容固体激光器

热容激光器与常规的高功率固体激光器的本质区别是激光介质的热管理方式不同，常规高功率固体激光器是边工作边冷却，而热容式激光器采用了工作时间和冷却时间相分离的热管理模式。因此热容激光器不再受介质断裂极限限制，可提高平均输出功率，同时由于工作时介质内部不存在显著的温差、热应力，可有效减小光程畸变提高光束质量。     

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.     

热容型板条激光器3种介质的温度和应力分布比较

阐述了热容型板条激光器重频工作方式下瞬态温度分布和热应力分布解析模型,对Nd∶glass,Nd∶YAG和Nd∶GGG3种介质的温度和热应力分布进行了数值计算和对比分析.结果表明:3种介质的温度分布和应力分布呈现相同的变化趋势.Nd∶glass的温度梯度比其他两者大,Nd∶YAG和Nd∶GGG温度变化非常接近;Nd∶YAG的应力较大,Nd∶GGG次之,Nd:glass最小,但三者差距不大.考虑到三者承受的最大断裂阈值,Nd∶GGG最好,Nd∶YAG次之,Nd∶glass较差.     

热容模式下激光介质的动态光学畸变

 开展了热容模式下激光介质动态光学畸变研究,初步分析了温度梯度、光弹效应及介质端面变形对整个波前畸变带来的影响,并将光学畸变转化为谐振腔损耗,数值模拟了热容激光器输出功率随时间的变化规律,模拟结果表明：当激光器工作温度低于400 K时,由粒子数玻耳兹曼分布引起的功率下降可以忽略,动态热效应是实验中热容激光器输出功率随时间快速下降的原因。     

掺钕无机液体激光器的初步研究

为解决固体激光器在高平均功率下的热管理问题，LLNL提出可移动式片状固体热容激光器（SSHCL），这就启发我们：假如激光介质是流体的话，就可以很容易地将激光冷却分离，激光器在工作的同时还可以“离线”冷却，可以不问歇地输出激光。LLNL最近的研究结果表明：用较便宜的含有稀土元素的液体代替SSHCL中的固体介质，可以降低整个系统的重量、体积、成本及技术复杂性，而且使得热管理变得容易。相对于固体基质，无机惰性液体基质有诸多优点，对于高平均功率和高峰值功率的应用需求，用液体介质代替固体介质，不失为一个极具吸引力的解决方案。     

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。     

喇曼自由电子激光器实验的数值模拟

本文采用基于单粒子理论的CAGFEL程序,对中国科学院上海光学精密机械研究所(简称上海光机所)喇曼自由电子激光器的近期实验结果进行了数值模拟,计算表明,当电子能量E_e=0.5MeV,能散度△γ/γ=6％和发射度ξ=0.06(π)rad·cm时,器件的峰值功率高达24MW,对应的辐射增长率为120dB/m,效率为6.1％。     

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。     

飞秒激光辐照铝材料的分子动力学数值模拟

飞秒激光辐照金属材料的过程是一个复杂的物理过程，涉及等离子体、材料熔化和喷溅、热波的产生和发展等方面。用传统的连续介质力学的方法对这一过程进行数值模拟还有困难，包括高应变率下材料参数选取，状态方程的描述等，另外固液界面的产生及熔化材料的喷溅也超出了连续介质假设的范畴。与连续介质力学的方法不同，分子动力学方法是基于统计力学的计算方法，通过对材料中单个原子的受力进行分析，从而模拟整个模型状态的计算方法，避免了连续介质假设的局限。     

氟化氢泛频化学激光器的数值模拟

考虑气体动力学过程、化学反应动力学过程和光腔内受激发射过程之间的相互作用, 建立了氟化氢泛频激光器喷管和光腔流场的二维数值计算模型, 对其进行了全面的模拟, 重点研究了腔内的各种性能参数。     

氟化氢泛频化学激光器的数值模拟

 考虑气体动力学过程、化学反应动力学过程和光腔内受激发射过程之间的相互作用, 建立了氟化氢泛频激光器喷管和光腔流场的二维数值计算模型, 对其进行了全面的模拟, 重点研究了腔内的各种性能参数。     

短波自由电子激光放大器数值模拟

介绍在理论上研究自由电子激光(FEL)的MICFEL程序。MICEFL是以单粒子理论为基础的二维放大器程序。利用MICFEL计算的Paladin实验结果与FRED程序计算结果以及25米Paladin实验结果相比均基本符合。理论计算的结果显示了FEL增益光导的特性。