基于充压柱壳损伤形态的靶面激光参数估计

为了在实验室设计激光辐照金属充压柱壳的损伤形态,对壳体损伤形态相关的靶面激光参数估计问题进行了研究。在忽略沿柱壳壁面热传导的条件下,给出了壳壁温度分布的解析表达式;根据随温度变化的材料力学参量和内压载荷,分析了壳体激光加热区内热裂纹的生成、稳定扩展和失稳扩展,推导出了壳体发生三种损伤形态的靶面激光参数估计表达式。针对30CrMnSi钢壳体进行了数值计算分析,数值结果与实验现象基本一致。研究结果表明,在给定目标特性条件下,充压柱壳激光辐照效应的损伤形态可以通过选择激光器参数来实验设计。     

激光辐照下旋转充压柱壳失效的数值模拟

建立了激光辐照下充压旋转柱壳热力学响应的物理模型和数值计算模型,求解了激光产生的非线性温度场。在此基础上,考虑塑性和屈服强度的温度相关性,求解了非线性的应力场,分析了柱壳裂纹萌生的可能位置和条件。通过计算发现,旋转充压柱壳在过光斑中心外表面圆周上有最大应力值这说明在过光斑中心的外表面环带区域将有可能最先发生破坏。激光辐照薄壁柱壳时有较高的温升其更容易发生破坏;旋转柱壳在过光斑中心圆周上应力分布随旋转频率增加而趋于均匀这是因为旋转频率增加激光辐照的环带区域温度分布更加均匀;在激光总能量相同条件下,小光斑辐照时易产生裂纹。     

强激光辐照下充内压圆柱壳的破坏阈值和破坏时间

建立了强激光辐照下充压圆柱壳热力学响应的物理模型和数值计算模型,求解了激光产生的非线性温度场。在此基础上,考虑塑性和屈服强度的温度相关性,求解了非线性的应力场,计算了两种不同类型圆柱壳在高功率连续CO_2激光作用下的破坏阈值,给出了破坏时间与功率密度的关系以及壳体破坏的危险区域。     

强激光辐照下圆柱壳体结构响应的数值模拟

针对强激光辐照下的圆柱薄壳，利用有限元方法，计及材料参数随温度变化的关系，实现了对激光辐照下柱壳表面瞬态温度场的数值模拟，以此为基础，模拟并分析了一定加载条件下应力波在壳体中的传播规律，以及造成的结构振动响应的过程和特点。     

波段内激光辐照光电探测器的光热效应实验研究

以1.06μm激光为例,使用PC型HgCdTe探测器,从实验的角度全面给出探测器各种可能的激光响应结果;同时给出响应波段内激光辐照探测器时光、热各自作用及光热综合作用的实验曲线,并结合此结果以清晰直观的图像分析了波段内激光辐照光电探测器时各种响应结果的成因.研究表明:激光辐照过程中,探测器信号响应曲线是光、热综合作用的竞争结果;激光停照后,信号曲线仅反映探测器的热恢复过程;光电导探测器的光响应和热响应随工作温度的变化均存在峰值响应.探测器的工作温度、激光功率密度和辐照时间是影响探测器信号响应曲线行为的关键参数.     

强激光辐照7075铝合金热响应与材料尺度律关系研究

为了明确金属板受激光辐照产生的热响应与材料尺度律之间的关系。采用数值模拟和实验相结合的研究方法,开展了不同尺度律下7075铝合金板在波长为1064 nm的连续波激光辐照下的热响应研究。首先利用COMSOL有限元软件建立了金属板在连续激光辐照下的数值模型,得到不同尺度律的铝合金板的温升过程;之后开展同尺寸实验验证,对比数值仿真数据。研究结果表明:在等效时间内,不同尺度律模型温升过程一致;实验数据与仿真结果趋势相似,各尺度律下仿真与实验相对误差均小于17 %。该研究结果对于强激光辐照效应的应用与研究具有一定价值。     

高能激光能量计吸收腔的温度特性

为了提高高能激光能量测量的精确度,减小不准确度,给出了一种吸收腔结构,对基于量热法的吸收腔的内、外壁温度差特性进行了理论研究和实验验证。用一维非线性傅里叶热传导方程分别建立了吸收腔在激光加热过程中和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ANSYS软件,根据激光加热的原理,建立了仿真模型,并用模型对理论分析结果作数值仿真。理论分析结果与实验数据非常接近。在激光照射过程中,虽然吸收腔内、外壁存在渐趋固定的温度差,但当照射结束后,该温差迅速减小,吸收腔到达平衡。     

光强分布对激光辐照下柱壳热力学行为的影响

高功率激光对承力结构的破坏机理研究,可以拓展激光技术的应用范围。为了研究光束强度分布对激光辐照下柱壳热力学行为,采用有限元方法建立充压柱壳的热力学模型,先保持激光辐照总功率相等,将几种典型激光束进行分析比较,并研究了充压柱壳在各种光束辐照下的热力学响应。结果表明,光强分布对圆柱壳的温度、应力以及位移场分布具有重要影响,在不同光强分布的激光束辐照下圆柱壳将具有不同的破坏模式和破坏时刻。     

表面污染物诱导熔石英损伤的热力学数值模拟

为了研究高功率固体激光装置内污染诱导光学元件损伤问题,基于有限元数值方法,结合污染物诱导熔石英损伤机理,给出了熔石英样片在高功率脉冲激光辐照下的温度场和应力场分布.结果表明,激光脉冲辐照过程中主要以污染物的温度升高为主,最高至2800K,而样片温升不大,仅为7K;在激光脉冲辐照后100μs的时间内,样片表面中心快速升温...     

强激光武器辐照弹道导弹温度场数值模拟

强激光武器的出现和投入实战对弹道导弹的生存造成了严峻的威胁。根据激光武器的特性和作战机理,分析了导弹壳体上激光辐照强度的影响因素,得到了导弹壳体上激光辐照强度的计算公式,从而计算出了不同作战距离下的激光辐照强度和光斑半径;建立了机载激光武器(ABL)照射弹道导弹壳体的有限元模型,得到了不同作战距离下弹道导弹被打击后内外壁面的温度分布以及内外壁面温度随时间的变化曲线。以上计算模型及计算结果为激光武器对弹道导弹的毁伤效应分析和激光防护方面的研究提供重要参考。     

大能量长脉冲激光能量计吸收体温度特性

以大能量长脉冲激光能量的准确测量需求为牵引,针对激光能量计吸收体温度特性进行了数值分析研究。结果表明:吸收体内壁温度随脉冲结构呈周期性振荡,随着壁深的增加,震荡幅度迅速地降低,吸收体外壁温度周期性消失。单脉冲能量相同时,脉宽越短,吸收体内壁温升越高;重复频率越高,吸收体内壁温升越高。而总能量相同时,重复频率越高,内壁温升越低。通过对吸收体结构的优化设计,不仅能够获得序列长脉冲激光的总能量,而且可以获得低重频（一般不大于10 Hz）序列脉冲激光的每个脉冲能量,从而为长脉冲激光能量计的设计及应用等提供参考依据。     

脉冲激光辐照下金属/液体结构温度变化初探

通过1053 nm重频脉冲激光辐照铝合金板和铝合金/水结构实验,初步研究了水的存在对铝合金板温度变化的影响。采用有限元方法,计算了脉冲激光辐照下铝合金板和铝合金/水结构中的温度场变化。数值结果和实验结果基本相符,水的存在加速了热扩散,延缓了铝合金板的温升。     

激光作用于圆管产生瞬态温度场的数值模拟

用有限元方法数值模拟了脉冲激光作用于管状材料时产生的温升情况。有限元模型考虑了激光作用过程中的热物理参数随温度变化的特性,得到了材料中各个点的瞬态温度场,也得到了有温升的范围,并给出了温度随径向和周向的分布曲线,为热弹条件下激光激发管状材料中超声导波的研究提供了定量基础。     

激光辐照CCD温度场与热应力场的研究

为了研究了激光与CCD传感器的作用过程及损伤机理,采用有限元分析的方法,对波长1.06μm的连续激光辐照行间转移型面阵CCD进行了理论分析和仿真研究。以基底Si表面激光辐照区域为热源建立热力耦合模型,模拟得出了CCD的温度分布和热应力分布。通过对比分析其组成材料的温度损伤和应力损伤所发生的时间,发现应力损伤先于温度损伤。结果表明,作为固定边界和自由边界的交汇处,基底Si下表面边缘处热应力于激光作用0.1s时最先超过破坏阈值120MPa,发生应力破坏; Si材料产生由下表面边缘向中心的滑移,基底逐步脱离固定; 激光作用0.3s时,遮光Al膜与SiO₂膜层也因热应力超过两种材料的附着力100MPa,而产生沿径向由内向外的Al膜层剥落的应力破坏行为,这种行为将加快基底Si材料的滑移,最终致使整个CCD因脱离工作位置而失效。该研究成果为CCD传感器的激光损伤及防护提供了理论依据。     

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。     

激光输能光电池温度场数值模拟

温升效应是影响激光输能光电转换效率的重要原因。为了分析温升效应对光电转换效率的影响,采用基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件和MATLAB软件联合仿真的数值模拟方法,建立了光电池的物理模型和热模型,得到了激光辐照时间、功率密度、光斑面积、入射角以及热辐射和热对流对温度场的影响结果。结果表明,2000W/m2激光功率密度辐照下,光电池温度随辐照时间先快速上升,20s后缓慢增加,100s达到热平衡态后温度稳定在343K;随着激光功率密度增大,电池温升速度越快,达到热平衡态时的温度值越高;激光光斑全部覆盖电池表面时,电池表面温度差值最小;入射角通过影响有效激光辐照功率密度来影响电池温升;热辐射和热对流对降低光电池温度十分有利;当激光入射角为0°、激光功率密度辐照约为2000W/m2、激光光斑面积近似为电池表面面积时,光电池能获得最佳的光电转换效率。可见对光电池温度场进行仿真分析为研究提高激光输能光电转换效率的方法提供了理论参考。     

高功率连续波CO2激光辐照加载铝板的研究

对受拉、受压和扭曲加载的LY12铝合金板被连续CO2激光辐照后的热力机械响应、应力状态、变形及破坏等进行了研究,同时研究了各种不同加载形式下的激光辐照破坏的工艺参数范围,分析了激光辐照破坏区的微观结构。研究表明,在激光辐照和机械加载的联合作用下,激光辐照烧斑区产生部分熔化和凹陷,在辐照区的边缘产生裂纹和皱折,最终导致破坏。另外,还具体分析了几种试件的破坏特征。     

半导体基片在10.6μm激光局域加热时的温度上升

在激光诱导扩散等激光微细加工技术中，需要用聚焦激光束照射基片表面，以形成局部高温区。为使局部高温区的温度分布满足实验要求，对10．6pm聚焦连续波CO2激光束照射下半导体基片的温度上升进行了数值计算。计算中考虑了基片材料对10．6μm激光的吸收系数随温度的变化。计算得到了温度上升与基片预热温度、入射激光束功率及曝光面积等参数的关系。结果表明，基片初始温度为室温及激光焦斑直径小于100μm时，激光照射形成稳定高温区的最高温度不超过600K。增加基片初始温度，可以在建立满足要求的温度上升的同时，减小基片上高温区分布的面积。在同一初始温度下，在基片高温区分布的面积符合实验要求的前提下，应尽量使用较大的光斑尺寸和激光功率，从而使基片表面热斑的温度分布更易控制。     

离焦量对激光超声测厚的影响

为了研究离焦量对激光超声信号幅值的影响,采用相同能量的脉冲激光辐照不同厚度的铝质试块进行了工件测厚的实验。光路会聚采用焦距100mm的平凸球面聚焦透镜,将该透镜固定于5维光学调整架上,调节水平轴旋钮以改变离焦量;利用中心频率5MHz的压电探头接收激光超声波信号,并记录所有试块在每个离焦量下的超声信号数据;依据信号之间的时间间隔,求出每个铝质试块的厚度。结果表明,测厚结果与工件实际厚度之间的相对误差均在3%范围内;在等量激光脉冲激励下,当工件表面处于离焦量-10mm时,获得信号的幅值最大。