脉冲CO2激光损伤K9玻璃的实验与仿真

对脉冲CO2激光损伤K9玻璃进行了实验与仿真研究.采用输出脉宽为10μs的脉冲CO2激光器对K9玻璃样品进行激光损伤实验,并且建立了脉冲CO2激光损伤K9玻璃的理论模型,利用有限元法对K9玻璃样品中的温度和应力分布进行数值分析.研究表明,K9玻璃的损伤阈值为6.533 J/cm2;入射激光能量密度越高,样品的损伤程度就越大,并且多脉冲对样品的损伤程度明显大于单脉冲;在激光能量较强的情况下,K9玻璃表面在光斑区域内形成熔融损伤和由压缩应力造成的应力损伤,在光斑区域外围则形成由环向拉伸应力造成的应力损伤,仿真分析结果与实验结果吻合良好.     

ANSYS在脉冲CO_2激光对K9玻璃损伤过程模拟中的应用研究

从脉冲CO2激光损伤K9玻璃有限元模型的建立和网格划分、脉冲激光的加载、设置初始条件和边界条件等几个方面,分析了基于ANSYS的脉冲CO2激光损伤K9玻璃模拟过程中的一些关键问题,建立了脉冲CO2激光损伤K9玻璃的有限元模型,对K9玻璃受到脉冲CO2激光辐照时的温度和应力分布进行了数值分析.     

重频脉冲CO2激光损伤K9玻璃的实验

对脉冲CO2激光在不同重频模式下损伤K9玻璃进行了实验研究。采用输出能量为10 J,脉宽为90 ns,重复频率在100 Hz至300 Hz之间连续可调的脉冲CO2激光器,对K9玻璃样品进行了激光损伤实验,观察到两次不同重频条件下样品的损伤形貌。实验结果表明,重频越高,对样品的损伤程度就越严重;应力损伤成为K9玻璃激光损伤的最主要的原因,在重频强激光的辐照下,K9玻璃表面出现强烈的等离子体闪光,伴随明显的熔融气化破坏,并形成等离子体爆轰波。爆轰波对玻璃材料产生了严重的力学冲击作用,这种应力作用足以对K9玻璃造成毁灭性破坏。运用有限元分析对激光辐照K9玻璃的温度与应力分布进行仿真,其计算结果与实验基本吻合。     

KrF激光和脉冲CO2激光损伤K9玻璃的实验对比与分析

对KrF准分子激光辐照K9玻璃进行了损伤实验,并与脉冲CO2激光损伤K9玻璃进行了对比分析,研究了紫外和远红外两种激光系统对同种光学材料的损伤特性。实验结果结果表明,KrF准分子激光和脉冲CO2激光对K9玻璃的损伤形貌基本相同,损伤主要是热力耦合损伤机制,但是两者在损伤阈值和损伤时间等方面仍有很大差别。与脉冲CO2激光相比,K9玻璃的KrF准分子激光损伤阈值更低,并且损伤持续时间更短。通过两类激光在波长和光子能量上的巨大差异可以很好地解释这一现象。该研究结果对准分子激光在空间工程应用上有着非常重要的参考价值。     

CO2激光切割电子强化玻璃过程的有限元模拟与实验

在激光热裂法切割玻璃的过程中,温度起着至关重要的作用。为了准确掌握切割过程中温度场的分布,提高切割质量,提出了一种CO2激光切割玻璃基板的数值模拟方法。在ANSYS有限元环境下,建立了激光热应力切割电子强化玻璃的三维有限元分析模型,对温度场进行了分析。通过实验验证,得到了切割过程中温度场在不同参数下的变化及其对切割质量的影响以及温度分布与激光功率、光斑尺寸和扫描速度的非线性关系。     

液晶显示玻璃基板激光切割热应力场的有限元仿真

激光切割玻璃基板是一个复杂的激光与材料相互作用的过程。为了掌握切割过程中热应力场的动态分布,提高切割质量,提出了一种热应力场的仿真方法。在有限元软件Ansys环境下,建立了三维液晶显示玻璃基板激光切割热应力场的有限元分析模型。采用间接法方式对温度场和热应力场进行耦合;通过APDL参数化编程语言,实现了对激光移动热源及射流冲击换热模型的仿真。仿真结果表明:在切割过程中,激光照射区内表现为压应力,压应力最大值出现在热源中心处;在激光光斑前、后一段距离内及冷却点附近均表现为拉应力。增大冷却效果及减小冷却点与激光光斑间的距离,均可增大拉应力δy的值。     

波段外脉冲激光对锗材料热冲击效应的数值研究

强激光辐照锗材料可造成材料的破坏.对波段外脉冲激光辐照锗材料进行了理论研究,建立了激光辐照锗材料的热力耦合数学物理模型,对热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,对不同能量密度下波段外激光辐照锗材料的瞬态温度场和应力场分布进行了数值模拟计算,得到了材料最易损伤的位置和材料的损伤阈值以及锗材料的损伤阈值与激光参数之间的关系.分析结果表明:热应力损伤在锗材料的脉冲强激光损伤中占据主导地位,锗材料出现热应力损伤的激光能量密度小于出现熔融损伤的激光能量密度,应力损伤主要集中在光斑中心区域并体现为压应力损伤.     

激光辐照光学材料热力效应的解析计算和损伤评估

光学元件的损伤是高功率激光技术发展的一个瓶颈，为此以连续CO2激光辐照K9玻璃为例，研究了连续激光辐照光学材料的热力损伤机理。通过积分变换方法，求解热传导和热弹性力学方程组，由此得到激光辐照引起的温度场和热应力场的瞬态分布。研究中发现在高斯光束作用下，热扩散长度的概念不再适用，因此通过曲线拟合方法，推导出最大热应力的位置与辐照时间的关系，并由此计算出材料的损伤阈值。由于K9玻璃的应力损伤阈值小于熔融损伤阈值，因此当激光作用引起的环向热应力大于材料的抗拉强度时，材料发生永久性损伤，损伤形态为拉伸解理。将理论模型的相关结论与实验结果相对比，两者吻合得很好。     

激光辐照下光学薄膜元件温升的有限元分析

实验测量了波长1 064 nm,10 kHz高重复频率激光辐照下镀制Ta2O5/SiO2多层膜的 K9、石英玻璃、白宝石高反膜元件温升变化.有限元分析的结果与实验结果相一致.用ANSYS程序计算了不同基板、空气对流系数及基板尺寸对激光辐照中心点温度的影响.结果表明:白宝石基片的薄膜元件激光辐照点的温度最低,其次是石英,K9玻璃基片的薄膜元件激光辐照点温度最高.空气对流系数在大光斑或长时间辐照时对激光辐照点温度影响较大,在小光斑或短时间辐照时对激光辐照点温度影响甚微,可忽略不计.基板越厚,基板直径越大,激光辐照中心点温度越低,基板直径比厚度更能影响激光辐照中心点温度变化.     

基于热权函数技术的热裂法切割液晶玻璃的研究

激光切割液晶玻璃是一个复杂的激光与材料相互作用的过程。在使用热裂法切割液晶玻璃时,裂纹尖端的应力强度因子(SIF)的大小是决定裂纹是否扩展的关键。使用热权函数技术计算了激光切割过程中裂纹尖端SIF的大小,与断裂判据相比较判断裂纹的扩展情况。研究了激光功率、光斑半径、切割速度和裂纹长度对切割过程中裂纹尖端SIF的影响,结果表明激光功率越大、切割速度越小、光斑半径越小时,裂尖SIF的增大速度越快、峰值越大以及不同裂纹长度下裂尖SIF的增大速度和峰值也不同。并通过实验进行验证,说明了该技术的可行性。     

激光修整青铜金刚石砂轮石墨变质层的研究

针对声光调Q YAG脉冲激光修整青铜结合剂金刚石砂轮,运用ANSYS有限元软件建立了三维脉冲激光烧蚀金刚石磨粒的数学模型和传热模型,得到了激光烧蚀金刚石磨粒后的温度分布。利用所建立的模型可获得不同激光参数下的变质层厚度,并通过实验对该模型进行了验证。针对脉冲激光修锐与整形的两个不同方面,从实验和数值模拟两方面研究脉冲激光参数对变质层厚度的影响规律,得到在修锐时脉宽与激光功率对变质层厚度影响程度相差不大,而在整形时脉宽则起到了绝对的主导作用;经过多脉冲激光烧蚀后变质层厚度有所减小;只有在砂轮修锐时石墨变质层厚度随脉宽的增加而减少。     

激光喷丸后板料表面微观形貌的可视化数值研究

对不锈钢SUS304板料进行了激光喷丸成形的可视化数值模拟分析和实验研究。以有限元分析软件ABAQUS/CAE为平台,通过建立的激光喷丸过程冲击波加载的转换模型,把脉冲激光能量转换成冲击波压力,利用用户子程序解决了脉冲激光束连续逐点喷丸板料变形的轨迹控制,实现激光喷丸板料动态变形过程的可视化。通过所建立的模型,对脉冲激光喷丸后材料表面的微观塑性流动过程进行了分析,研究了表面微观形貌的变化。     

Si/Glass激光键合的仿真及实验研究

对Si/Glass激光键合进行了有限元仿真,自主设计激光键合系统并进行了Si/Glass激光键合实验研究、测试与表征。以Si/Glass激光键合的二维传热解析模型为理论基础,应用有限元软件ANSYS仿真了激光功率20～48W时激光键合的三维温度场、键合熔融深度,并预测键合阈值功率为28 W。自主设计激光键合系统及实验方案,采用光斑直径150μm、功率30W的Nd:YAG连续激光实现了Si/Glass的良好激光键合。测试结果表明,激光键合强度最高为阳极键合的5.2倍,激光键合腔体气密性测试泄漏率平均值约9.29×10-9 Pa.m3/s,与阳极键合处于同一数量级。采用能谱分析(EDS)线扫描Si/Glass激光键合的界面材料成分,发现键合界面形成过渡层,激光功率30W时过渡层厚度9μm,与仿真结果吻合。     

长脉冲与连续激光联合辐照铝合金的温度场仿真

为了给长脉冲与连续激光联合作用模式的参数选择提供依据,采用ANSYS分析了长脉冲激光和连续激光共同辐照下2A12铝合金的温度场,得到了不同连续激光与长脉冲激光加载起始时刻的时间间隔和不同光斑半径组合情况下激光辐照中心点的最高温度和熔池的大小。结果表明,随着时间间隔的增大,激光辐照中心点的最高温度越高;当两束激光的时间间隔大于某特定值时,脉冲激光所造成的温升才会逐渐增加;激光辐照中心点的最高温度和熔池的大小主要由峰值功率较高的长脉冲激光决定,但是如果选择合适的连续激光预热,尤其是当连续激光的功率密度达到105 W/cm2量级时,联合作用能显著增大熔池的尺寸,并适量提高辐照中心点的温度。     

TiAl合金表面多道搭接激光重熔温度场数值模拟

为了研究多道搭接对激光重熔等离子喷涂NiCoCrAl-Y2O3涂层熔化的影响,根据激光重熔的特点,采用ANSYS有限元软件的参数化设计语言,在已有的单道激光重熔温度场模型基础上,建立了TiAl合金表面多道搭接激光重熔连续移动三维温度场有限元模型.温度场的分析结果表明:由于激光扫描的热积累效应,重熔过程中试样的温度越来越高,熔池也越来越大,各扫描道之间存在明显的差异,因此不能获得熔化均匀且稀释率小的高质量重熔层.采用逐道减小激光功率或增大扫描速度的策略可以获得大体相同的各扫描道熔池;采用预热试样法同样可以有效地减轻各扫描道之间熔池的差异.