激光辐照皮肤组织的热效应解析计算研究

为了研究工作波段在近红外的激光安全问题,建立了连续激光辐照生物组织的热学模型,通过分离变量法求解热传导方程,得出了生物组织在激光辐照阶段和扩散阶段皮肤组织瞬态温度分布的精确解析解,并以氧碘激光辐照皮肤组织为例,计算了皮肤组织在激光辐照下的温度场分布。结果表明,皮肤组织温升随激光辐照时间和功率密度的增加而增加,辐照结束后,皮肤表面温度缓慢下降,深处温度先缓慢上升,再缓慢下降。分析结论与相关实验结果取得一致,证实了所建模型的合理性。该结论对于其它连续激光对物质的热损伤研究是有帮助的。     

脉冲激光辐照皮肤组织的热效应解析计算研究

具有一定强度的激光辐照皮肤组织时可造成组织的破坏.建立了激光与皮肤组织相互作用的二维非稳态温度场模型,在柱坐标系下采用积分变换法精确求解了单脉冲及多脉冲激光辐照皮肤组织的热传导方程,得到瞬态温度场分布,并以1064 nm波长激光辐照皮肤组织为例,数值模拟了皮肤组织在激光作用下的温度分布.研究结果表明:脉冲激光与组织的热效应在很大程度上取决于激光参数,主要有激光能量、焦斑半径、重复频率等.     

脉冲激光辐照皮肤组织的热效应数值模拟研究

具有一定强度的激光辐照皮肤组织时可造成组织的破坏.本文建立了激光辐照皮肤组织的二维热效应模型,并在柱坐标系下精确求解了高斯分布的激光脉冲辐照皮肤组织的热传导方程,得到瞬态温度场分布.研究结果表明:脉冲激光对皮肤组织的热损伤,最早发生在光束中心处,并沿着径向和轴向衰减,当脉冲激光辐照后一段时间,温度达到最大值时并不是发生在脉冲结束时,而是在脉冲结束后的一段时间内.脉冲激光辐照皮肤组织,激光能量密度起着决定性因素,焦斑半径也是影响作用效果的一个非常重要的参数.     

激光辐照皮肤组织的光子传输解析计算研究

建立了激光与皮肤组织相互作用的二维非稳态光场模型,在柱坐标系下采用漫射近似法和格林函数法精确求解了高斯和平顶分布的连续激光辐照皮肤组织的光传输方程,得到瞬态光场分布,并以氦氖激光辐照皮肤组织为例,数值模拟了皮肤组织在激光作用下的光分布。研究结果表明：皮肤组织径向光分布规律与入射激光束的光强分布相似,激光与组织光效应在很大程度上取决于激光参数,主要有激光功率、焦斑半径等。     

不同形状连续激光辐照皮肤组织温度场数值模拟

本文基于生物组织热传导方程,分析了连续平顶型激光和连续高斯型激光辐照皮肤组织的热传递规律,建立了更为接近细胞尺寸的三层皮肤组织模型,采用有限元方法对两种不同形状激光作用于皮肤组织时产生的温升情况进行了数值模拟,仿真研究了不同作用时间、不同表面距离和不同深度的皮肤组织温度场分布。结果表明,相同条件下,由连续平顶型激光在组织内部产生的最高温度明显小于高斯型的,主要原因是平顶型激光能量分散,而高斯型能量相对集中。连续高斯型激光辐照组织后产生的温升区域面积和穿透深度均较大,撤去激光后达到初始温度的冷却时间也相应较长。     

多脉冲激光辐照皮肤组织的光热效应实验研究

通过实验测定了离体乳猪皮肤组织在多脉冲Nd:YAG激光辐照下径向和轴向不同位置的温度分布,重点研究了激光辐照能量密度、脉冲重复频率以及波长对皮肤组织温升分布的影响.研究结果表明:皮肤组织中的温度分布与探测位置、激光辐照能量密度、脉冲激光的重复频率以及波长密切相关;在激光辐照时间为40 s的情况下,同一波长同一频率时组织温度随能量密度的增加而增大,波长1064 nm、霞复频率10 Hz时的安全光剂量阈值为1118.19 mJ/cm2;同一波长同一能量密度时,组织温度随脉冲激光重复频率的增加面增大;同一能量密度同一频率时,波长为1 064 nm的多脉冲激光辐照皮肤组织时的光热效应较532 nm波长明显.     

激光辐照皮肤组织模拟液的光子传输实验研究

通过实验测定了皮肤组织模拟液在632.8nm连续氦氖激光辐照下透射光场的光强分布,重点研究了模拟液浓度和容器厚度对光分布的影响.研究结果表明:皮肤组织模拟液透射光强与溶液浓度以及厚度密切相关;组织对激光的吸收和散射作用使得光强度下降;透射光强最高点在辐照中心处,并沿着径向衰减.     

激光辐照活体皮肤层状组织的光热作用数值模拟研究

具有一定强度的激光辐照皮肤组织时可造成组织的破坏.本文基于激光与生物组织相互作用的机理,建立了激光辐照皮肤三层组织的二维传热模型.在Pennes生物传热方程中采用更能反映活体组织真实情况的血液灌注率,并用有限元法数值模拟了所引起的温度场变化.研究结果表明激光对活体皮肤组织的热损伤最早发生在光束中心处,并沿着径向和轴向衰减,活体组织热物性的非均匀性考虑与否会对结果产生很大影响.     

激光辐照高速飞行物体壳体温度的理论计算

从描述对流换热的基本微分方程组出发，通过边界层分析，给出飞行物高速飞行时的气加热效应与飞行参数、大气环境的关系，以及飞行物体高速飞行的气动加热效应对飞行物体壳体温升的影响。并结合飞行物体的飞行状态，计算了飞行物体受连续波激光辐照对壳体温度的时间关系。     

金属球壳在激光辐照下热效应的数值计算

利用有限元法对金属球壳在恒定功率密度激光辐照下的热效应进行了数值计算,分析了在激光辐照过程中,金属球壳内外壁的温升、温差的变化规律,并主要以铜、铝材料为例,比较了铜、铝球壳在激光辐照下的温度变化和外壁温度响应情况.数值计算结果表明,激光辐照期间,在经过热响应的过渡过程后,金属球壳内、外壁的升温率几乎为常量,内外壁温差基本保持恒定值;对于壁厚在0.004～0.02 m范围内的铜、铝球壳,激光辐照停止后,内外壁热平衡过程在几十ms到1s的时间内结束.     

亚声速切向气流对激光辐照TA15钛合金热响应的影响

利用亚声速气流环境模拟系统, 开展了自然对流及马赫数为0.4和0.8切向气流条件下, 1 064 nm连续激光辐照TA15钛合金材料热响应实验研究, 得到了材料的温度历史曲线数据。通过分析实验结果表明: 在激光辐照材料未使得其表面发生熔化时, 切向气流对材料激光辐照过程中以冷却效应为主, 随着气流速度的增加, 冷却效果明显。同时切向气流影响着材料的温度分布, 沿气流流动方向, 气流对下游区域的冷却效果低于上游区域。     

重复脉冲激光作用下钢靶动态热响应数值模拟

用有限元方法对３０ＣｒＭｎＳｉＡ合金钢材料受重复频率ＹＡＧ（ＲＰＹＡＧ）激光辐照下，材料前、后表面及内部温度分布进行了二维模拟计算。结果表明。在激光作用下，钢材料的温升随激光脉冲周期振荡逐次上升，这种特性随靶内距激光作用中心距离的增大而不明显。实验记录了一个平均的温升效果，与模拟计算的平均效果符合。     

受激光辐照的光电探测器表面温度的计算

本文在考虑了激光在材料内的热源效应后,求解了热扩散方程,给出两种常见情况下激光功率与脉宽、表面温升的关系式,借助探测器表面的温度曲线,给出几种探测器损伤阀值时的表面温度。讨论了探测器破坏的热机理．     

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。     

脉冲激光辐照下半导体薄膜中温度场的计算

利用理论模型求得了脉冲激光辐照半导体薄膜材料的温度场解析解。结合ＫｒＦ准分子脉冲激光对淀积在熔凝石英衬底上的ａ－ＳｉＨ薄膜以及ａ－ＳｉＨ／ａ－ＳｉＮｘＨ多量子阱结构材料的热退火处理，分析了膜厚、激光能量密度以及ａ－ＳｉＨ／ａ－ＳｉＮｘＨ多量子阱结构材料中的子层厚度比对温度场性质及ａ－ＳｉＨ薄膜的晶化效果的影响。     

强激光辐照半导体材料的温升及热应力损伤的理论研究

分别采用数值方法与解析方法 ,研究了连续波激光辐照半导体材料时产生的温升及热应力 .讨论了不同激光参数 强度、波形、波长及脉冲持续时间 与温度及热应力之间的关系 ,以及造成半导体材料热应力损伤的激光阈值强度 .