运用功能梯度结构降低大功率激光系统中镜面热变形的数值分析

提出一种运用功能梯度结构以有效降低大功率激光系统中镜子温度和镜面热变形以及减缓热应力的新方法。讨论了环形分布和高斯分布2种类型的激光源。有限元分析结果表明,通过这种方法可使硅镜和铜镜的表面热变形成倍降低,并且还能同时显著降低镜体温度。讨论了代表热学和力学性质的函数表达式的斜率对镜面热变形的影响,研究表明：功能梯度结构的热物理对镜面形变产生重大影响,而力学性质对镜面形变的影响非常小。该结论可为具有该功能梯度结构的镜子优化设计和制造提供参考。     

镜面热变形对空地激光通信链路性能的影响

低轨卫星在轨运行热环境条件下,不能有效释放热应力的反射镜面将产生热变形,镜面法向偏转可达百μrad量级;经其反射的光束将产生较大的指向偏差,严重影响空地激光通信链路的系统性能。对空地激光通信星上端机目前常用的压板法镜体固定方式进行的分析表明：镜体释放热应力后的法向角度偏差可减小近3个数量级,对由于热变形带来的光束指向偏差能进行很好地抑制,减轻对系统性能的影响。     

镜面热变形对空地激光通信链路性能的影响

 低轨卫星在轨运行热环境条件下,不能有效释放热应力的反射镜面将产生热变形,镜面法向偏转可达百μrad量级;经其反射的光束将产生较大的指向偏差,严重影响空地激光通信链路的系统性能。对空地激光通信星上端机目前常用的压板法镜体固定方式进行的分析表明：镜体释放热应力后的法向角度偏差可减小近3个数量级,对由于热变形带来的光束指向偏差能进行很好地抑制,减轻对系统性能的影响。     

夹持方式对镜面热变形及偏转的影响

在高功率激光辐照下,激光腔镜的夹持方式对热变形和偏转有很大影响。在理论上,采用ANSYS软件计算了硅镜（80 mm×12.5 mm）,在特定辐照条件（100 W,40 mm、均匀、同轴、5 s）下的不同夹持方式下的热变形,径向固定的热变形镜面峰谷值（0.109 3 μm）小于轴向固定的热变形峰谷值（0.138 8 μm）,三点固定的（0.121 μm）介于二者之间。在实验上,硅镜（75 mm×12.5 mm）在特定辐照条件（100 W、光斑椭圆17 mm×20 mm,5 s）下,压圈法（径向固定）的热变形为0.32 μm,镜面倾斜角为0.63 μrad;压板法（轴向固定）的热变形0.49 μm,镜面倾斜角为0.28 μrad。当采用三点锥孔定位法时,通过干涉条纹可发现镜面偏转减少。     

热补偿腔镜热变形的研究

采用ANSYS有限元软件,系统模拟了强激光作用下的热补偿全反射硅镜的温度场分布和热变形.详细地研究了不同区域的热补偿和不同的热补偿功率大小对镜面变形峰谷值的影响.结果表明有效的热补偿对镜面变形峰谷值有很大的影响,在非光照区进行热补偿可以大大降低镜体的温度梯度,从而明显减小镜面变形的峰谷值.热补偿腔镜特别适合于机载或车载军用强激光器.     

球面反射镜镜面热变形的数值分析

对热环境下球面反射镜的镜面热变形进行了数值模拟分析,应用光机热(TSO)集成分析方法,在对光机结构进行有限元分析的基础上,以Zernike多项式为接口工具拟合镜面变形,评估了环境载荷对光机系统光学性能的影响,最后还分析了硅橡胶层对光机系统结构应变能的吸收效用。     

去除铝基板的大功率LED热分析

提出一种大功率LED免铝基板封装方式,采用ANSYS有限元热分析软件对传统的铝基板封装和免铝基板封装的LED进行模拟对比分析。模拟结果表明:两种封装结构的LED,其最高温度均出现在LED芯片处;对于单颗功率1 W、3颗功率1 W和单颗功率3 W的器件,由于有效地简化了散热通道、大幅度降低了总热阻,采用免铝基板结构的最高温度分别降低了6.436,9.468,19.309 ℃。传统的铝基板封装即使选用热导率高达200 W/(m·K)的基板,其散热效果依旧略逊于免铝基板封装结构,且随着LED功率的增大,免铝基板的新型封装结构散热优势更加明显。本文的研究为解决大功率LED的散热问题和光色稳定性问题提供了一种新途径。     

腔镜变形对平凹稳腔激光振荡模式影响的数值研究

用Fox-Li迭代法研究了激光谐振腔镜面变形对激光振荡模式的影响, 给出了几种镜面变形条件下的激光谐振腔自再现模,即镜面上光场振幅和位相分布的模拟结果。对平凹稳定腔,为获得严格的基模激光振荡,应将这种镜面变形控制在1/20波长范围内;若镜面变形超过1/10波长,则该谐振腔不存在严格的基模自再现模。同时,高功率激光腔镜的边缘冷却方式将造成较大的镜面形状变化,从而影响激光光束质量。     

Cu、An薄膜镜面的激光辐射损伤研究

本文研究了Cu、Au薄膜镜面的激光辐射损伤,得到了反射率随激光及样品有关参数变化关系的实验结果,并对激光辐射损伤的机制进行了初步的讨论。     

A functionally graded structural design of mirrors for reducing their thermal deformations in high-power laser systems by finite element method

In this paper, a new method is proposed to effectively lower the high temperature, smooth the thermal stress and reduce the thermal deformation of mirrors in high-power laser systems utilizing functionally graded materials (FGMs). Two kinds of laser source are discussed at the same time. One is the doughnut-shaped laser, and the other is the Gaussian-distributed laser. Numerical results from finite element analysis show that the thermal deformation of silicon and copper mirrors can be reduced by one order of magnitude, and the temperature rise is also lowered obviously by this means. The effects of slope regulation of the functions for representation of thermophysical and mechanical properties on thermal deformation of mirrors are discussed to meet the requirement of optimum design and manufacture of FGM mirrors for the future.     

Wave propagation of functionally graded material plates in thermal environments

The wave propagation of an infinite functionally graded plate in thermal environments is studied using the higher-order shear deformation plate theory. The thermal effects and temperature-dependent material properties are both taken into account. The temperature field considered is assumed to be a uniform distribution over the plate surface and varied in the thickness direction only. Material properties are assumed to be temperature-dependent, and graded in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. Considering the effects of transverse shear deformation and rotary inertia, the governing equations of the wave propagation in the functionally graded plate are derived by using the Hamilton’s principle. The analytic dispersion relation of the functionally graded plate is obtained by solving an eigenvalue problem. Numerical examples show that the characteristics of wave propagation in the functionally graded plate are relates to the volume fraction index and thermal environment of the functionally graded plate. The influences of the volume fraction distributions and temperature on wave propagation of functionally graded plate are discussed in detail. The results carried out can be used in the ultrasonic inspection techniques and structural health monitoring.     

激光器腔镜夹持方式对热变形的影响

 分析了当前大功率激光器腔镜采用的几种夹持方式特点，采用有限元软件计算了腔镜不同夹持方式下的镜面热变形和镜体最大应力，并对两种夹持方式下的应力破坏进行了分析。发现夹持方式对大功率激光器腔镜镜面变形影响很大，镜体边界沿径向固定的压圈法效果优于沿轴向固定的弹性压板法。     

高平均功率开关晶体热力学特性有限元分析

 基于有限元数值方法,就不同的光强分布模型以及电光晶体固定或自由的边界条件,模拟分析了KDP,DKDP,LiNbO₃,BBO开关晶体材料在高平均功率激光负载下的热力学特性。结果表明:激光作用数s后,温升分布基本与光强分布一致;晶体表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;晶体的力学边界约束对最大轴向位移及最大拉热应力的影响随着光斑填充因子的增大而增强;在相同的入射激光光源及相同的边界条件下,KDP上的温升最大,热畸变最严重,DKDP次之,而LiNbO₃和BBO具有较低的温升值或较低的热形变和热应力。     

强激光反射镜热畸变对光束传输特性的影响

 通过等效净吸收功率密度方法获取了强激光反射镜热畸变的干涉图像，提出了热畸变反射镜在平面波照射下近场波面畸变与远场光斑的计算方法，探讨了强激光远场光斑测试的一种新思路。定量分析结果表明，对单晶硅镜，在净吸收功率210W，光照时间为6s时，最大热畸变达到0.76μm，由此造成的近场波面Zernike离焦系数为0.32μm，x方向和y方向彗差分别为0.13μm和0.22μm， x方向倾斜系数上升到0.12μm，光束质量因子达5.7。     

Love wave propagation in functionally graded piezoelectric material layer

An exact approach is used to investigate Love waves in functionally graded piezoelectric material (FGPM) layer bonded to a semi-infinite homogeneous solid. The piezoelectric material is polarized in z-axis direction and the material properties change gradually with the thickness of the layer. We here assume that all material properties of the piezoelectric layer have the same exponential function distribution along the x-axis direction. The analytical solutions of dispersion relations are obtained for electrically open or short circuit conditions. The effects of the gradient variation of material constants on the phase velocity, the group velocity, and the coupled electromechanical factor are discussed in detail. The displacement, electric potential, and stress distributions along thickness of the graded layer are calculated and plotted. Numerical examples indicate that appropriate gradient distributing of the material properties make Love waves to propagate along the surface of the piezoelectric layer, or a bigger electromechanical coupling factor can be obtained, which is in favor of acquiring a better performance in surface acoustic wave (SAW) devices.     

LaB6场发射尖锥的场发射特性研究

报道了六硼化镧（LaB6）场发射尖锥的场发射性能。采用电化学腐蚀方法制作了LaB6场发射尖锥，并在10-2～10-7 Pa 的宽真空度范围内对单尖LaB6场发射二极管的发射特性进行了测试。发现残余气体电离产生的离子轰击对LaB6场发射阴极尖锥表面起到了离子清洗作用，使LaB6场发射尖锥在低真空工作后发射电流大幅度提高。离子轰击是一种适用于LaB6场发射阴极的激活处理方法。     

激光器腔镜夹持方式对热变形的影响

分析了当前大功率激光器腔镜采用的几种夹持方式特点,采用有限元软件计算了腔镜不同夹持方式下的镜面热变形和镜体最大应力,并对两种夹持方式下的应力破坏进行了分析。发现夹持方式对大功率激光器腔镜镜面变形影响很大,镜体边界沿径向固定的压圈法效果优于沿轴向固定的弹性压板法。     

高平均功率电光开关晶体热畸变分析

 深入分析了方板构型的电光开关晶体在高功率载荷条件下的热畸变行为,讨论了光强分布对热效应的影响。以KDP晶体为例,分别计算了激光束光强为高斯分布和均匀分布时晶体的温升、相应的热应力分布、波前畸变以及热退偏。结果表明,光强的分布形式对波前畸变和热退偏的影响是不同的。相对于光强均匀分布的激光束,高斯光束减缓了光斑边沿处的温度梯度,产生的热应力较小,因此可以减弱热退偏效应;另一方面,在光束口径范围内,高斯光束产生了附加的温度分布非均匀性,因而波前畸变会大一些。