激光介质的多次吸收不均匀内热源模型讲解
激光原理_名词解释
激光原理_名词解释⼀名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。
α为包括放⼤器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
2. 线型函数：引⼊谱线的线型函数pv p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表⽰线型函数的中⼼频率，且有+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ?时下降⾄最⼤值的⼀半。
按上式定义的v ?称为谱线宽度。
3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原⼦所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。
4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，⼏个满⾜阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中⼼频率0v 的⼀个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制⽽熄灭的现象。
5. 谐振腔的Q 值:⽆论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采⽤品质因数Q 值来标识腔的特性。
定义p v P w Q ξπξ2==。
ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。
v 为腔内电磁场的振荡频率。
6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有⼀凹陷，称作兰姆凹陷。
7. 锁模：⼀般⾮均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持⼀定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是⼀列时间间隔⼀定的超短脉冲。
这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。
8. 光波模：在⾃由空间具有任意波⽮K 的单⾊平⾯波都可以存在，但在⼀个有边界条件限制的空间V 内，只能存在⼀系列独⽴的具有特定波⽮k 的平⾯单⾊驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。
9. 注⼊锁定：⽤⼀束弱的性能优良的激光注⼊⼀⾃由运转的激光器中，控制⼀个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。
（分为连续激光器的注⼊锁定和脉冲激光器的注⼊锁定）。
2.4非均匀增宽介质的增益系数——激光原理课件PPT
v1
v～v
21
v 2
G
0 D
(v)实际是由频率在
v1
v 2
v 范v1围内2v的粒子数密度反转分布
值贡献的,在此范围内 f D (v1) f D (v)
n0 B21
c
hν
f D (ν)
ν
0 2
dν1 (ν ν1 )2 (ν
2) 2
n0 B21
c
hν
fD (ν)
G(ν) nB21 c f (ν)hν
G(ν) 1
n0 I f (ν)
B21 c
f (ν)hν
Is f (ν0)
(ν
ν0
(ν 2)2 )2 (1 I
Is
)( ν )2 2
G0
(ν0
)
• 非均匀增宽介质是否也存在反转粒子数饱和、 增益饱和效应，它的饱和效应又会是怎样的？
2.4 非均匀增宽介质的增益饱和
n10 (υ1)dυ1
n10 (
m
2k T
)1
2
exp(
mυ12 2kT
)
dυ1
➢若E2、E1能级的简并度相等，速度在υ1 υ1 间dυ的1 粒子数密度 反转分布值为
n0 (υ1 )dυ1 n20 (υ1 )dυ1 n10 (υ1 )dυ1
n 0
(
m
2k
T
)1
2
exp(
mυ12 2kT
)
dυ1
均匀增宽。它的特点是，不同 发光粒子只对光源光谱线的相 应部分有贡献。
• 对于纯粹的非均匀加宽工作物质来说，表观中心频率为n1的 粒子发射频率为n1的单色光
ν1
ν0 (1
υ1 c
端面抽运板条放大器抽运均匀性和热效应模拟
端面抽运板条放大器抽运均匀性和热效应模拟侯军燕;汪岳峰;竹孝鹏;黄峰;贾文武;张强【摘要】为了使激光二极管抽运的全固态激光器能够得到高光束质量、高功率的激光输出,对激光介质的温度分布和热透镜效应的研究很重要.利用ZEMAX软件的非序列模块,根据光束追迹的方法模拟了端面抽运结构下,高功率二极管抽运激光放大器的抽运光在增益介质中的光场分布情况.结果表明,此抽运方式下光场分布均匀.将激光介质中吸收的抽运光体功率密度分布结果代入LAS-CAD软件,计算出在种子光未注入和注入情况下,抽运功率为2400W时,增益介质最大温差分别为68℃,54.7℃以及最大热应力分别为90N/mm2,67N/mm2,因此当抽运功率小于2400W,运转的全过程对于激光增益介质是没有威胁的.该模拟结果对于高功率二极管抽运板条激光放大器的设计具有一定参考价值.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)006【总页数】4页(P802-805)【关键词】激光器;板条放大器;端面抽运;温度分布;热应力分布【作者】侯军燕;汪岳峰;竹孝鹏;黄峰;贾文武;张强【作者单位】军械工程学院,光学与电子工程系,石家庄,050003;军械工程学院,光学与电子工程系,石家庄,050003;中国科学院,上海光学精密机械研究所,上海市全固态激光器与应用技术重点实验室,上海,201800;军械工程学院,光学与电子工程系,石家庄,050003;军械工程学院,光学与电子工程系,石家庄,050003;军械工程学院,光学与电子工程系,石家庄,050003【正文语种】中文【中图分类】TN248.1引言激光二极管抽运的板条激光器是一种重要的高平均功率固体激光器，是军事和工业领域很有前途的光源。
热致应力双折射、热聚焦和应力断裂效应使得棒状激光介质获得高功率、高光束质量激光输出遇到了困难。
在均匀抽运和冷却条件下，锯齿形板条激光介质能够提供比棒状激光介质较大的增益长度与几何长度的比率，从而提高了效率。
激光深熔温度场数值模拟热源模型分析
6
676
热源模型及参数
热源模型
激光深熔焊接中熔池与小孔如图 " 所示。 焊件
表面被加热、 熔化、 蒸发， 在蒸气压力的作用下形成 小孔， 当小孔产生的蒸气压力与熔池中液体金属的 静应力达到平衡时， 小孔是稳定存在的。 激光深熔焊由于小孔的穿透作用， 焊缝截面形 貌特征为钉形焊缝W,X。 只有选取合适的热源模型才能 对其温度场进行符合实际的模拟。 在选取热源模型
根据激光深熔焊熔池形貌连续激光焊的半径衰减函数选为抛物型衰减脉冲激光焊的半径衰减函数交流平台百家争鸣栏目得到了众多热心读者的好评大家纷栏目更能将读者作者市场紧密结合共同推动焊接技术的发展促进焊接行业的繁荣同时也为社会创造了更多的附加值在此电焊机杂志全体工作人员对关心和支持我们的各界朋友表示诚挚的谢意同时也请您能积极参与这样的栏目发表您独特的见解和新颖的观点
第
%) 卷 第 - 期 ,##) 年 - 月
3AD@JE:@ UDAL:17 C0@5:1D
T6AQ%) <6Q?DOJQ,##)
激光深熔温度场数值模拟 热源模型分析
顾 兰， 薛忠明， 张彦华
北京 "###$%& !北京航空航天大学 机械工程学院，
热源模型是激光深熔焊温度场数值模拟分析的关键。 在分析连续和脉冲激光深熔焊焊缝形状特 摘要： 征的基础上， 构建了组合热源模型， 讨论了热源模型参数的确定方法。应用所建立的热源模型模拟分析 了激光深熔焊焊缝边界形状， 并与实验结果进行了比较。 激光深熔焊； 热源模型； 数值模拟 关键词： 中图分类号： 文献标识码： ’()# *
0 脉冲焊
图* 激光焊模拟熔池边界与实验焊缝熔合线的比较
函数 $#" $ 则依据能量平衡方程求出。
7激光输出讲解
当五个可以起振的纵模起振 后，由于非均匀加宽增益饱 和效应，产生增益曲线的烧 孔效应，所以这五个纵模都 可以振荡。
由此可知，非均匀加宽激光器总是多 模工作，总的激光输出功率等于各模 功率之和。如果要求非均匀加宽激光 图是非均匀加宽激光振荡性示意图 器单纵模运转，方法之一是缩短腔长
L，使得Δν＝c/2ηL＞Δνc即可。
光电子技术研究所
EPth=h13nV/21
式中，V是增益介质的 体积；h为普朗克常
E3
E2
数；ν 13为泵浦光频 率；n为总粒子数密 度。η 1是激发到能级
E3上的粒子数与它们能 跃迁到E2能级上的粒子
数之比.
E1
因为由E1激发到E3上的粒子数，有 一部份通过自发辐射跃迁回到基态 E1，一部份非辐射跃迁到E2能级， 所以η 1<1,它叫作由能级E3向能级 E2非辐射跃迁量子效率；
这两个式子都表示，激光输出是光泵 输入超过阈值部分再乘上一个比例系 数ηS，ηS叫作斜率效率。 对一定的激光器而言， ηS 为一常数，当激光器的器 件变化时， ηS 会变化。在实际工作中，常采用总体 效率的概念，它定义为激光输出与光泵输入之比，即
ηt =Pout/Pin= ηS(1-pth/pin) ηt =Eout/Ein= ηS(1-Eth/Ein)
光电子技术研究所
ω (z) 式表明，共焦场中基模光斑的 大小随坐标z按双曲线规律变化，有
（ω 2（z）/ ω02 ） -（z2/f2）=1
通常将式中的ω0称为高斯光束的基模腰斑半径。
光电子技术研究所
激光器的若干物理特性：
一、激光器的阈值条件
当谐振腔内工作物质的某对能级处于集居 数分布反转状态，则频率处在工作物质的 谱线宽度内的微弱光会因受激放大而获得 增益，使光信号不断增强。
试论激光熔覆数值模拟过程中的热源模型
试论激光熔覆数值模拟过程中的热源模型【摘要】为更加准确地模拟出钉状高能激光束的裂缝形状，本文提出了一个新的Gauss 曲面模型，在进行数学模型解推理的基础上来为模拟过程的计算做准备，在进行实际的数值模拟与测量试验时选择不同形式的激光束。
结果表明，Gauss 曲面模型可以在直线形激光束的环境下实现准确模拟。
【关键词】激光熔覆；数值模拟；热源模型0.序言激光熔覆的操作机理是：将熔覆材料添加在基体的材料表面，并且在高能密度激光束的照射下，促使合金覆层的形成，这种具有完全不同成份与性能的覆层出现在基材表面，并且与基体材料相互熔合。
这种表面改性的新技术自1974年以来，获得了各个工业国家的大力研究投入，对表面质量以及数学模型的研究更是有大量基础性研究。
目前该项研究的难题就在于大面积无裂纹熔覆层的获得。
获得一个比较合意的熔覆层往往需要一个良好的冶金结合以及要求基体材料和熔覆层的熔点相近、且同时具备一定的塑性，以满足最小的稀释率和气孔满足较大的结合度要求。
在传统的实验操作过程中，存在着一个较大的钉状熔覆孔无法解释。
改进过的实验可以进行原因的解释，当高能激光束在工件表面出现时，基本件近表面处的材料由于率先接收到束流的急剧加热，迅速熔化形成熔池，快速增加此处的有效加热半径；又因为高能激光束流的穿透机制，工件深度的方向上会逐渐形成一个窄长的匙孔，这就导致先前的双椭球以及柱体等热源模型不能够识别这种能量分布方式，从而不能准确地模拟激光熔覆过程的温度场，在进行激光熔覆过程的数值模拟时，只有对温度场的进行准确分析基础上，我们才可能展开正确的热应力分析。
比较前人的研究成果，激光熔覆接头近缝区的动力机制、热应力分布都与焊缝形状有密切关系，所以，考虑到高能束熔覆过程中的特殊能量分布，本文建立可以正确反映实际焊缝形状的面热源模型即文中的Gauss 曲面模型来进行数值模拟。
1.gauss曲面模型本文中Gauss 曲面模型实质上是一个钉状的旋转体，它是由Gauss曲线绕其对称轴旋转而形成的一个曲面，并由这些曲面围成构成一个曲面体。
试论激光熔覆数值模拟过程中的热源模型
２热 源 模 型 的模 拟对 比分 析 ．
基 于对 ｇｕｓ曲面模型 的模拟程度 的检验 ．我们选择正常的平板 ａｓ 焊接作 为研 究支点 ． 行实际 的模 拟 ． 进 然后将模拟 值与实验 值进行对 比分析 。 采 用 Ｇ ｕｓ ａｓ 曲面模 型进行计算时 ．采取弧线 形激光束进行照射 ． 输入功率 ｕ ３ ０ Ｗ。 ＝ ０ ０ 熔覆速度为 Ｏ １ ／ ． ｍｓ ０ 因为所输入 的热 流都集 中在 较小 的基体 材料表面 ． 导致裂缝 中心处 的最 高温度达到 ７ ０ Ｋ左右 ． ００ 这会导致极大 的偏差 所 以我们初步得 出结论 ． 能量较为集 中的熔 在 覆过 程中 ． 如果我们 采用弧状激光 束 ． 就将会 错误地估计对 温度场影 响， 从而导致计算结果 的不准确 。所 以我们 只有选 择直线型的激光束 来照射 Ｇ ＵＳ曲面热源模型 ． ａＳ 以取得较好的模拟结果 为了更好 地进行 数值模 拟． 我们选择直线 型激光束继续熔覆 的模 拟实验 ．记 录和测量此次激光熔覆过程 中的变形 值以及残余应力 ． 并 对 比计算值与测量结果 的差异 。 此次激光束 的发 出设备选择高压激光 束发 射机 ． 本次实验采 取的熔覆 工艺与弧线形 实验保持一致 ． 在熔覆 材料 的表面冷却之后 ． 选择盲孔法 来测量残余 应力 ． 并结 合基准平 面
ｒ 一 ｃ … ２ ２ ］ ３ ． 、
ｍ ，）（） ｌ （ｙ＝０ ｐ ｘ，ｍ， ｚ ０ 【
Ｊ（ ） ｝７
由上面数学 模型 ， 我们 不难 看出 ， 只要 给定热 源的 高度 Ｋ 功率 、 ｕ、 截面半 径 或者热源形状 的集 中系数 Ｃ ， 们就可以依据 （ ） ｉ我 ６ 式进 行热 流密度 ｍ Ｏ ） （ ， 的计 算 ． ０ 然后代人到 （ ） 中 ． ７式 就可以得到 ｇ ａ。 曲 面的热源模型 了
激光器件工作物质的热效应PPT课件
T r
Q K
0
（1）
K为工作物质的热传导率；Q为激光棒单位体积发热耗散 的功率；r表示棒横截面内任一半径
2
第2页/共33页
固体激光器的热效应
单位体积产生 热
Q Pd
r02 L
Pd为棒耗散的全部功率; Pd=ηPin, Pin为泵浦源的输入电功率；η为热耗功率系数， 表示棒内发热耗散的功率占输入电功率的比例; L为棒长，r0是棒半径
光学介质的折射率特性通常由光率体描 述，绝大多数情况下它是椭球体，对于 各相同性介质，光率体为圆球体。Nd3+： YAG在正常情况下，光率体为圆球；但当 内部有应力时，光率体变为椭球
9
第9页/共33页
固体激光器的热效应
在同一等温线上，各点椭圆的形状和大小相同，其长轴和短轴分
别沿该点的切向和径向。经过推导可得热应力双折射大小为
（c)管状激光器
工作物质制成管状，有较大的散热表面积，热应力 小。当管壁较薄时其温度分布近似一维。大大改善热 效应，有利于提高输出功率。
12
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固体激光器的热效应
端面效应由棒内温度分布不均匀，引起棒端面形状发生变形所致
L(r) l0[T(r) T(0)] （15）
L(r)
r0
Qr 2 4K
（16）
负号表示棒外缘比棒中心短。由于端面效应，棒端面由平面变为抛物 面，表面相对中心的变形量最大
变形曲率半径
R
r0 2 2
L(r0 )
不同流速的水冷系统传递系 数
1、流速越高，h越大 2、rF/r0越小，h越大
5
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固体激光器的热效应
计算例子
Pin= 4000W，则Pd=Pin=200W，棒长 L=88mm，r0=2.5mm，rF=4mm，冷却水流速 为13L/min, TF为20C
激光原理非均匀加宽工作物质的增益系数课件
非均匀加宽工作物质的定义
01
非均匀加宽工作物质是指在激光 工作物质中，由于能级宽度、粒 子数反转分布等因素引起的光谱 线型加宽。
02
与均匀加宽工作物质相比，非均 匀加宽工作物质具有更复杂的光 谱特性。
非均匀加宽工作物质的特点
非均匀加宽工作物质的光谱线型 通常呈现为洛伦兹线型或高斯线
型。
由于能级宽度和粒子数反转分布 的不均匀性，非均匀加宽工作物 质的光谱线宽通常比均匀加宽工
泵浦光强度
泵浦光强度的大小直接决 定了原子在能级上的跃迁 概率，从而影响增益系数 。
介质折射率
介质折射率的变化会影响 光子在介质中的传播速度 ，从而影响增益系数的空 间分布。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
05
非均匀加宽工作物质增益系数的应用
在激光器设计中的应用
在高功率激光器中，非均匀加宽工作 物质能够提高激光器的输出功率和光 束质量，广泛应用于军事、工业和科 研等领域。
03
增益系数
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
增益系数的定义
增益系数是描述工作物质中光子与原 子相互作用后，光子能量增加程度的 物理量。
它表示了工作物质对特定波长光的放 大能力，是决定激光输出功率的重要 参数。
增益系数的计算方法
根据激光原理，增益系数与工作物质的折射率、光子频率、 原子密度等因素有关。
通过求解麦克斯韦方程组，结合边界条件，可以计算出增益 系数的大小。
增益系数的影响因素
增益系数受到工作物质折射率、原子密度、温度等因素的影响。
随着工作物质折射率和原子密度的增加，增益系数也会相应增大。
激光热处理 梯度结构-概述说明以及解释
激光热处理梯度结构-概述说明以及解释1.引言1.1 概述激光热处理是一种利用高能激光束对材料表面进行局部加热的先进技术，通过控制激光参数，可以实现表面材料的快速加热和冷却，从而改善材料的表面性能和组织结构。
梯度结构则是指在材料内部形成具有连续、逐渐变化的组织结构，使材料在不同位置具有不同的性能，既保留了材料本身的特性，又具有更加优越的性能表现。
本文将探讨激光热处理与梯度结构的结合应用，探讨其在材料制备领域的重要意义并展望未来的发展方向。
通过对激光热处理和梯度结构的基本原理和优势进行深入分析，可以更好地理解这一先进技术在材料领域中的应用前景和潜力。
json"1.2 文章结构":{"本文将首先介绍激光热处理的基本原理，包括激光对材料的作用机制和热处理过程中的关键参数。
接着，将阐述梯度结构的概念及其在材料强度和性能优化方面的优势。
最后，探讨激光热处理与梯度结构相结合的应用，探索其对材料性能的提升和应用领域的拓展。
通过对这些内容的深入分析，读者将更加全面地了解激光热处理与梯度结构在材料加工领域的重要作用。
"}1.3 目的本文旨在探讨激光热处理与梯度结构的结合应用在材料制备领域的潜在优势及未来发展趋势。
通过深入分析激光热处理的基本原理和梯度结构的概念，我们旨在揭示这两种技术结合使用的优势，并展望这种结合在材料制备中的潜在发展方向。
通过本文对激光热处理与梯度结构的研究，我们希望为材料研究领域提供新的思路和方法，推动材料科学与工程的进步。
同时，我们也希望引起学术界和工业界对这一领域的更多关注和研究，为未来材料制备技术的发展做出贡献。
2.正文2.1 激光热处理的基本原理激光热处理是一种通过激光能量对材料表面进行加热处理的技术。
其基本原理是利用激光束的高能量密度，将能量集中地作用在材料表面上，从而使材料表面迅速升温，达到所需的温度。
在短时间内加热到高温的过程中，材料表面会发生相变、晶粒细化、残余应力消除等物理变化，以提高材料的性能。
金属材料激光焊接过程的传热分析
金属材料激光焊接过程的传热分析激光焊接是一种广泛应用于金属加工领域的高能量热源焊接技术。
在激光焊接过程中，激光束将能量集中于焊接接头处，使金属材料迅速融化并形成焊缝。
然而，激光加热过程中的传热现象对于焊接质量和效率起着至关重要的作用。
在激光焊接过程中，传热发生在多个方向上。
首先是由激光束传递的辐射热，它直接作用于金属材料表面。
辐射热引起材料表面温度的升高，从而导致材料的融化和熔池形成。
其次，激光束通过辐射热传递给基材，传播到焊缝的各个部分。
这种传热称为导热传热，它使焊缝内部逐渐升温。
最后，焊接过程中产生的熔池和金属表面之间发生了传热，这称为对流传热。
激光辐射热传递过程主要依赖于吸收和散射两种机制。
吸收是指激光能量在金属材料中被吸收，并转化为热能。
金属材料的吸收率取决于其反射率和吸收率之比。
通常，金属材料对激光辐射有较高的反射率，导致能量的大部分被反射。
为了提高吸收率，可以在焊接接头上喷涂吸收能量的涂层或添加吸能剂。
激光辐射热通过金属材料的传导导热到达焊缝的各个部分。
传导传热主要依赖于金属材料的热导率和温度梯度。
热导率越高，热量传递速度越快。
而温度梯度越大，传热速率越快。
因此，在激光焊接过程中，控制激光辐射热的传导传热路径和速度是非常重要的。
激光焊接过程中的对流传热主要发生在熔池和金属表面之间。
对流传热是通过熔池内部的熔液流动实现的。
流动的液态金属通过对流将热量从熔池中传递到周围环境。
对流传热的强度取决于熔池内部的液态金属流动速度和流动性质。
因此，在激光焊接过程中，控制熔池的流动性质和速度对于传热分析十分关键。
在金属材料激光焊接过程中，传热分析的目标是预测和控制焊接过程中的温度分布和热应力分布，以确保焊接接头的质量和稳定性。
通过数学建模和计算机模拟，可以模拟和预测焊接接头的温度分布和热应力分布。
这种传热分析方法可以用于优化焊接工艺参数，提高焊接质量，并预测可能的焊接缺陷。
总之，金属材料激光焊接过程中的传热分析是确保焊接质量和效率的关键。
激光原理第17讲 非均匀加宽爱因斯坦三种辐射系数修正-PPT课件
2 m c 1 2 ' 2 0 2 0 c m 2 K T 0 d n ' n ' d ' n e d 2 0 2 0 0 2 0' K T 0 2 2 m c 1 2 ' 2 0 2 0 c m 2 K T 0 d n ' n ' d ' n e d 1 0 1 0 0 1 0' K T 0 2 n 0 '
• 考虑E2和E1能级上的原子数n2和n1：
1 V c 0' 0 z/
2 m c 1 2 ' 2 0 0 2 c m 2 K T 0 d n ' n ' d ' n e d 2 0 2 0 0 2 0' K T 0 2 2 m c 1 2 ' 2 0 0 2 c m 2 K T 0 d n ' n ' d ' n e d 1 0 1 0 0 1 0' K T 0 2
• 3、多普勒加宽
PnA h 0 – 自发辐射的光功率为： 2 2 1 – 如果不考虑均匀加宽，每个原子自发辐射的频率ν精确等于原子 的中心频率ν0’。频率处在ν-ν+dν范围内的自发辐射光功率 为： P d h n A d h A n g ,d
n2、n1 按中心频 率的分布
17.1 非均匀加宽
n ' n ' 2 0 1 0 • 令 g ' , D 0 0 n n 2 1 • 则：
高功率光纤激光器及其散热技术
三.高功率光纤激光器的常用散热技术
喷雾冷却
喷雾冷却是将冷却介质雾化后直接喷射到发热物体表面通过 液膜蒸发、强迫对流、核态沸腾和“二次成核”等机理带走热 量的一种冷却方式。
中国科学技术大学，王亚青等，Spray公司的TG0.3机械雾化 圆锥实心喷嘴，对大功率激光器的散热实验结果：
光纤激光器的工作原理 3.光纤激光模块的构成（以IPG公司YLR-6000为例）
大功率多模LD
激光输出
全光纤设计 并联单芯节二极管激光模块组合 侧面、并行、双向泵浦技术
光纤激光器的工作原理 4.千瓦、万瓦级功率的实现——光纤合束
二.高功率光纤激光器发热机理分析
1.光纤激光器热源
电源：大功率电源发热
高功率光纤激光器及其散热技术
报告提纲
光纤激光器的工作原理 高功率光纤激光器发热机理分析
高功率光纤激光器的常用散热技术
一.光纤激光器的工作原理
LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 即“受激辐射光放大”。
增益介质 —掺杂光纤（ Er3+、 Nd3+ 、 Tm3+、 Yb3+ ）
到冷凝器放热冷凝成液体，借助取热器微槽群的毛细力和液体重
力回流到与大功率电力电子器件紧贴的取热器，从而实现无外加
动力的闭式散热循环。
超导热能力：导热系数大于 106 W/(m·℃)，铜为400 W/(m·℃)
冷却能力超强：取热热流密度 可达400W/cm2
无功耗冷却：被动式冷却，无冷 却能耗
三.高功率光纤激光器的常用散热技术
激光的原理模型图解及应用
激光的原理模型图解及应用1. 激光的原理激光（Laser）是一种具有高度聚焦能力和高能量密度的光束。
其原理是通过受激辐射（Stimulated Emission）实现的。
激光器由三个基本部分组成：激光介质、抽运能源和光学共振腔。
1.激光介质：激光介质是激光器中的放大介质，通常使用的有气体、固体和半导体等。
当激活的能量输入到激光介质中时，激光介质中的原子、分子或离子受到外界能量的激发，处于高能级的状态。
2.抽运能源：抽运能源是输入到激光介质的能量源，用于将激发介质。
常用的抽运能源有光、电流或化学反应等。
通过抽运能源的作用，激光介质中的原子、分子或离子从高能级跃迁到低能级。
3.光学共振腔：光学共振腔是激光器中的一个闭合空间，其中包含镜子或其他光反射元件。
共振腔的作用是产生反馈，使得激发的能量在介质中来回传播，增强和放大激光的效果。
其中的一个镜子是部分透明的，使得激光能够通过。
2. 激光的模型图解以下是激光的模型图解，以更直观地理解激光原理。
----|||||| | ---------------||||| | 光学共振腔'''|||||''' | ---------------' '' '-------|---> 激光' ' -------- 抽运能源激光介质1.激光介质由一个长方体表示，代表介质的内部原子或离子。
2.抽运能源表示为一个箭头，指向激光介质，表示能量输入。
3.光学共振腔表示为一个空心长方形，表示激光的进出口。
4.激光表示为一条箭头，表示激光的输出。
该模型图解展示了激光的能量传递和反射过程，使得激光能够被放大和输出。
3. 激光的应用激光因其特殊的性质在许多领域得到广泛应用。
3.1 医疗领域•激光在眼科手术中被广泛应用，例如激光治疗青光眼、近视矫正手术等。
•激光可用于皮肤美容，如激光脱毛、激光祛斑等。
激光加工中传热相变问题的焓解法
国家自然科学基金<项目号69678007)资助项目 收稿日期=l 999-05-04;收到修改稿日期=l 999-06-29第27卷第l 0期中国激光VOl .A 27 NO .l 02000年l 0月CHINESE JOURNAL OF LASERS OctOber 2000激光加工中传热相变问题的焓解法虞钢安永强胡幼娟<中国科学院力学所北京l 00080)提要基于焓方法发展的二维轴对称数学模型 考虑了激光束能量的时间和空间分布以及材料的变热物性影响 模拟了激光加工中材料的传热和相变过程 并分别计算了高斯光束及平面圆形光束作用于纯铁时材料内部的气液及固液界面随时间的发展及非稳态温度场演化关键词激光加工 相变 数学模型 焓法l 引言激光加工过程表现出快速 复杂 多维和多参数影响等特点 传统的实验手段难以确定靶材中的瞬态温度变化和相转变 理想的数学模型无疑对此问题的研究具有指导意义 早期的模型工作主要研究向半无限大基体内部的传热 相继发展的数学模型考虑激光参量 材料参数 熔池流场及等离子体等的影响 利用显式插分法求解的数学模型E l 没有考虑液态的再凝固 考虑激光传输特性的数学模型E 2 认为激光烧蚀过程中不存在熔化层 焓方法E 4 为解决传热相变问题提供了简易途径 使得相前沿条件纳入其积分形式的弱解公式中 无需连续跟踪相前沿 而是在完成温度场的计算后由差值方法确定 我们利用焓法发展的数学模型考虑了材料的变热物性<包括吸收率 导热系数和热容)以及激光束的传输特性影响 以YAE 圆形激光束<高斯光束和平面圆光束)与纯铁作用为例 计算模拟了材料中发生的从传热到熔化的全过程 2数学模型为了明确数学模型的可适用性和局限性 我们作了下述的主要简化与假设:<l )经典的传热理论适用于激光与材料相互作用过程;<2)材料各向同性并且忽略由于温度引起的密度变化;< )材料的相变分熔化与气化两个步骤 且分别发生在特定的温度条件下;<4)不考虑熔池内液体流动对温度场的影响;<5)气化物质包括等离子体对入射激光的传输不产生影响取柱坐标系分析问题 认为基材半无限大 图l 为模型示意图 激光垂直入射在材料表面 能量吸收导致传热 表面熔化产生熔池出现固液界面S l 进一步发生气化使材料去除产生气液界面S 2 焓定义为显热C p T 与潜热L 之和 这里C p 为定压热容 T 为温度 采用热焓和温度一起作为待求函数 在整个区域建立一个统一的能量方程 多维相变问题的控制方程为图 计算模型的坐标与网格系统示意图其中 为材料密度 为焓 为时间 为导热系数在气液界面上的温度为沸点并且吸收的激光能量由热传导和相变潜热两部分来平衡式中 为材料对激光的吸收率 为激光源的功率密度 为界面法线方向单位长度 为气化潜热 为界面迁移速率 下标 表示气液界面 下标 表示液态相 固液界面上的温度保持为熔点 在自由边界上没有热量交换并且温度保持为室温初始状态 时 整个计算区域内的温度为室温焓与温度的关系式为式中 和 分别为固态和液态饱和焓 为熔化潜热 为热容 显然 由控制方程 边界条件和初始条件构成了一组非线性方程离散方法及解的步骤计算区域的 方向和 方向尺度范围都取为 将计算区域离散为 的网格 如图 在整个计算过程中时间步长 保持不变 部分无量纲量的定义为这里 分别为无量纲化的焓 温度 时间步长 空间步长 比特数 和 分别表示室温时的热容和导热系数 若空间变量用中心差分 时间变量用后差 上标 表示时间步 下标对 表示格点位置 计算区域内部的离散化控制方程为外部边界上的格点 由于控制单元具有不同的形状导致具有不同的差分方程 圆柱中心格点上有差分方程激光作用的边界格点还需引入激光源项 发生气化前的差分方程为边界拐角格点上差分方程稍有不同 发生气化后的气液界面所在格点的差分方程只是在 中国激光 卷期虞钢等激光加工中传热相变问题的焓解法上式的基础上稍作改动焓与温度的关系式在无量纲后成为关系式在用迭代法求解非线性方程组时用时刻的作为时刻的试探解由关系式决定的取值将它代入离散后的控制方程同时利用边界条件即可求出新的然后再由关系式计算的新取值再代入离散后的非线性方程求出改进的重复进行直到求得最终的收敛解导热系数热容和吸收率都是温度的强关联函数在每次计算中都代入它们的新迭代值采用一种光源跳跃的算法来确定移动光源的位置基于能量守恒原理把激光源等效为材料内部的移动热源定义为气态初始焓当某一控制单元的焓时表明该单元已经完全转变为气态计算中我们没有考虑气态内部的温度场对体积为的单元假设时刻该单元的焓在时刻进入该单元的静能量为首先根据方程计算出如果表明该单元没有完全转变为气态则该单元的计算结束并转移到下一单元否则则该单元已经完全转变为气态并且激光源迁移到下近邻单元上此时激光源能量的降低部分为激光源迁移过的单元的焓增加激光源连续迁移直到计算区内的所有网格单元的焓由计算出的焓场和温度场确定移动气液和固液界面的位置设某一单元的焓为当时则此单元的温度为熔点固液界面落在该单元内其中液化部分的体积由线性插值关系式来确定如果在方向的第列没有满足上述条件的单元则总有且表明固液界面存在于这两个单元的其中之一并且方向需要进一步细划网格直到出现温度为的单元确定气液界面的位置只需将上述参数替换为即可得数值算例与结果讨论以型脉冲激光器作为计算光源其特点是脉宽重复率和脉冲能量都可在一定范围内调节光束能量的时间分布也可作一定的改变空间分布通过衍射光学元件变换获得如圆斑方斑和可控强度分布等以高斯光束束腰半径和平面圆光束均匀光斑半径作为计算实例并取功率密度空间分布函数与文献中相同表纯铁的材料参数表纯铁特性参数随温度的变化由于材料的多样性和材料物性参数实验数据的短缺 难以确定具体材料的准确参数 计算中取纯铁作为靶材 其材料参数 在表 中列出 采用阶跃函数与线性近似相结合的方法得出参数随温度的变化关系 随温度变化的材料特性参数 吸收率 导热系数 和热容 见表图 熔化和气化的起始时间与入射激光功率的关系计算预测的熔化起始时间 和气化起始时间与入射激光功率的关系如图 对于每一个关系都存在一个临界激光功率值 在 以上 熔化和气化的开始几乎是瞬态的 即相对于激光的起始作用时间很短 气化相对于熔化的滞后起始时间 随着激光功率的增强而减小 这是由于熔化以后吸收率提高但导热系数却降低 不同光束作用结果的比较可知平面圆光束的熔化临界功率提高到了 而高斯光束只有发生气化以后 金属表面将出现烧蚀 在 时不同的连续激光功率 和 作用下的材料内部的气液和固液界面位置如图 不同功率的激光作用结果可知 高功率下气液界面更靠近于固液界面 即液化层相对薄一些图 在 时不同光束作用下界面形状的计算结果图 不同光束作用下熔化和气化深度与时间的关系取连续输出的激光功率为 不同激光束作用下的烧蚀池与熔池深度 沿光束轴线 随时间的关系曲线如图 所示 在计算时间内 对于高斯光束 发生气化以后液态薄层的深度近似地保持为 但对于平面圆光束 液态层的深度随时间逐渐变大脉冲激光作用下材料内部沿光束轴线方向 距表面下不同深度处的温度场演化历史的计算结果如图 和 其中激光参数为 脉冲能量 脉宽 脉冲重复率不同深度 处所达到的最高温度 和达到最高温度所需的时间 不同 随的增大 中国激光 卷 期虞钢等激光加工中传热相变问题的焓解法温度梯度和温度变化率急剧变小同时变大对同一深度位置温度上升阶段的变化率大于下降阶段对于高斯光束在处温度上升阶段和下降阶段都出现平台这对应于在该时间段内发生固液相变相变使其周围近邻的温度变化率减小图高斯光束和平面圆光束作用下材料内的温度随时间的发展由数值计算曲线可以定量分析材料在激光淬火过程中的温度及相变历史为确定强化组织和硬化范围提供了理论依据由熔化和气化的起始曲线能够进行激光硬化的参数选择利用模型还可以进行与表面熔化凝固有关的合金化方面的传热学分析由预测的相界面随时间的发展容易确定激光打孔和焊接过程中光束传输特性对孔形和熔池的瞬态位置和形状的影响为了验证模拟的正确性我们以碳钢为靶材进行了大量的激光热处理的硬化层深以及激光打孔孔形的实验研究比较实验与模拟的结果表明模拟计算的误差在允许范围以内隐式有限差分方法的离散结果为一组非线性方程考察稳定性问题的常规方法在这里不适用计算中只要选择合适的时间和空间步长总能得到稳定的收敛解模型建立忽略了激光与材料作用界面的对流和辐射热损耗以及气化物质对入射激光束的屏蔽作用这些都使预测的温度场比实际情况偏大这里为对流系数为热辐射系数为常数结论有限差分焓模型在解决激光加工过程中的传热相变问题中使相变界面位置的确定简化利用模型分别计算了高斯光束和平面圆光束与纯铁作用过程中材料从传热到熔化再到气化全过程中固液及气液界面随时间的发展及材料内部的非稳态温度场演化并由此得到了气化和熔化的起始时间等本文的数学模型有助于理解激光加工过程和优化工艺参数参考文献中国激光卷重庆大学学报中国激光。
激光侧抽运晶体温度分布的非均匀发热模型计算
激光侧抽运晶体温度分布的非均匀发热模型计算郭云霄;巩马理;薛海中;李晨;闫平;柳强;陈刚【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2007(31)3【摘要】针对半导体侧面抽运固体激光晶体的温度分布问题,使用类高斯的非均匀发热模型,对LD侧面抽运棒状固体激光介质的温度分布问题进行了计算,推导并最终得到了侧面抽运情况下棒状激光晶体内温度分布的近似解析表达式.与以往的报道相比,所使用的类高斯发热模型比均匀发热模型更符合激光器的实际工作情况,使用该模型计算温度分布将得到更为精确的结果.【总页数】4页(P238-241)【作者】郭云霄;巩马理;薛海中;李晨;闫平;柳强;陈刚【作者单位】清华大学,精密仪器系,光子与电子技术研究中心,摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学,精密仪器系,光子与电子技术研究中心,摩擦学国家重点实验室,北京,100084;西安电子科技大学,技术物理学院,西安,710071;清华大学,精密仪器系,光子与电子技术研究中心,摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学,精密仪器系,光子与电子技术研究中心,摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学,精密仪器系,光子与电子技术研究中心,摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学,精密仪器系,光子与电子技术研究中心,摩擦学国家重点实验室,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TN248.4【相关文献】1.LD抽运热容激光器介质内温度分布研究 [J], 张申金;周寿桓;唐晓军;秘国江;吕华昌2.LD双面侧抽运Nd∶GGG热容激光晶体热分析 [J], 辛宇;史彭;李隆;白冰;常锐3.高功率环形激光二极管阵列重复脉冲抽运激光器中棒的瞬态温度分布 [J], 张申金;欧群飞;冯国英;李明中;朱海波;陈建国4.管状固体激光器的温度分布──非均匀发热模型 [J], 巩马理;万作文5.LD侧泵激光器抽运光和温度分布数值研究 [J], 蔡志强;姚建铨;温午麒;赵士勇;周建勇;李君;王鹏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
热源模型的建立
焊接热源的作用模式对于高能束焊接，由于产生较大的焊缝深宽比，说明焊接热源的热流沿焊件厚度方向施加了很大的影响，必须按某种恰当的体积分布热源来处理。
具体采用双椭球体分布热源。
由于激光沿焊接方向运动，激光热流是不对称分布的。
由于焊接速度的影响，激光前方的加热区域要比激光后方的少；加热区域不是关于激光中心线对称的单个的半椭球体，并且激光前后的半椭球体形状也不相同。
如图1所示：作用于焊件上的体积热源分成前后两部分。
设双半椭球体的半轴为（a f ,a r,b h,c h）,设前、后半椭球体内热输入的份额分别是f f、f r。
前、后半椭球体内的热流分布：q f222222333)ff h hx y za b c---,0x≥q r(x,y,z)=√3 (f ra b cπ√π(−3x2a r2−3y2b h2−3z2c h2),x<0f f+f r=22。
焊接热传导的有限元法计算用有限元法分析热传导的过程是：1）把传热微分方程的求解问题转化为变分问题；2）对求解区域进行有限元分割，把变分问题近似地表达成线性代数方程组。
3）求解代数方程组，将所得的解作为热传导问题的解的近似值。
一．采用分段式双椭球模型理由：焊接过程中，由于焊接热源具有集中、移动的特点，会形成在空间和时间上梯度都很大的不均匀温度场，从而导致了焊接残余应力与变形的产生[l]。
因此，建立适当的热源模型，对焊接温度场进行准确模拟是焊接数值模拟的重要课题之一。
针对激光焊接过程的特点，可采用双椭球体热源模型模拟焊接热源。
双椭球体热源模型所描述的热流输入分布在一定的体积内，能够反映出热源沿深度方向对焊件进行加热的特点，在模拟电子束、激光焊接等具有穿透效应的深熔焊接过程时，能够获得较为准确的计算结果。
但由于焊接热源的高度集中性，如果直接采用移动热源进行计算，在建立有限元模型时，需要将焊缝及其附近区域的网格划分得很细，计算中也需要很多时间步进行迭代运算，这使得计算效率极为低下，从而对于一些实际复杂构件的焊接过程进行模拟实际上是不可行的。
He-Ne激光器模式分析
He-Ne 激光器模式分析一 实验目的1 了解激光器的模式结构，加深对模式概念的理解。
2 通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。
3 对本实验使用的分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用。
二 实验仪器实验装置如图1所示。
实验装置的各组成部分说明如下： 1 待测He-Ne 激光器。
2 激光电源。
3 小孔光阑。
4 共焦球面扫描干涉仪。
5 接收器。
6 电子计算机。
三 实验原理1 激光器模的形成我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。
如果用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，如图2所示。
实际上，由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响，增益介质的增益有一个频率分布，如图3所示，图中)( G 为光的增益系数。
只有频率落在这个范围内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。
但只有单程放大，还不足以产生激光，要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定、持续的振荡。
形成持续振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即q q L λμ=2 （1）式中，μ为折射率，对气体μ≈1；L 为腔长；q 为正整数。
这正是光波相干的极大条件，满足此条件的光将获得极大增强。
每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作一个纵模，q 称作纵模序数。
q 是一个很大的数，通常我们不需要知道它的数值，而关心的是有几个不同的q 值，即激光器有几个不同的纵模。
从（1）式中，我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q 值反映的恰是驻波波腹的数目，纵模的频率为Lc qq μν2= （2）同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔LcLc q 221≈=∆=∆μν （3） 从（3）式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频率间隔越大，在同样的增益曲线范围内，纵模个数就越少。
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激光介质的多次吸收不均匀内热源模型
全部作者：
王军荣宋耀祖闵敬春
第1作者单位：
清华大学工程力学系
论文摘要：
针对激光介质的内热源，以多次吸收作用为基础提出了适用于侧面双向泵浦板状激光介质的不均匀内热源模型，即多次吸收不均匀内热源模型，并与均匀内热源和1次吸收内热源模型进行了对比分析。
研究表明，介质厚度及光吸收系数组成的无量纲参数对内热源分布有很大影响，同时也影响不同内热源模型的适用性。
最后给出了内热源模型适用准则。
关键词：
激光介质热效应内热源多次吸收 (浏览全文)
发表日期：
2005年12月22日
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修改稿：。