激光对固体材料的热效应..

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激光器件3工作物质的热效应

§2.1.4 固体激光器的热效应
21
不同YAG棒的屈光度与泵浦功率的关系
Refracting power(m-1)
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
7mm , Nd doping 1%
2.0
6mm , Nd doping 0.8%
8mm , Nd doping 1% 1.5
4
5
6
7
8
9
10
Pump power(KW)
15
热焦距表示热透镜效应，则由折射率变化引起的热焦距为
fT
'
1 n2 L
K QL
(18）
端面效应形成的焦距用几何光学薄透镜公式表示为
fT"
R 2(n0 1)
K
r0Q(n0
1)
（19）
组合薄透镜为
1 fT
1 fT '
1 fT "
QL[1 dn K 2 dT
n03Cr,
n(r) n(0) n(r)T n(r)c
（12）
n(r)为棒截面内任意半径r处的折射率，n(0)为棒中心的折射率，Δn(r)T为与棒中心温差引起的折射率变化量，Δn(r)c为热应力引起的折射率变化量
n(r ) T
[T(r) T(0)] dn dT
Q 4k
dn dT
r2
（13）
dn/dT为折射率温度系数
§2.1.4 固体激光器的热效应
1
固体激光器工作时，输入泵浦灯的能量只有少部分转化为激光输出，其余能量转化为热损耗，工作物质自身温度升高，引起荧光谱线加宽、量子效率降低，导致激光器阈值升高和效率降低。激光棒一方面吸收光泵辐射发热，另一方面由于冷却不均匀会造成工作物质内部温度分布不均匀，导致热应力、应力双折射和热透镜效应等，这些热影响称之为热效应。

半导体激光泵浦复合晶体固体激光器的热效应

半导体激光泵浦复合晶体固体激光器的热效应杨丽颖;李嘉强;张金玉;徐晓明;曹剑【摘要】为了验证复合晶体使用到半导体泵浦的固体激光器中与非复合晶体的区别,提高半导体泵浦的固体激光器的工作效率,开展了半导体激光泵浦YAP/Tm∶YAP复合晶体固体激光器的热效应的验证实验.采用有限元分析法,模拟了晶体温度及热应力的分布,并分析了热透镜长度的变化情况.结果发现,与非复合晶体相比,复合晶体的温度和热应力均有不同程度的下降,复合晶体工作时的最高温度降至其80%,热应力降至其70%.同时也验证了热透镜焦距不随非掺杂晶体长度的增大而改变,这也意味着复合晶体不能有效提高复合激光的光束质量,但是可以确保输出激光光束质量的稳定性.因此可以证实,使用复合晶体能够有效改善激光器的温度和力学特性,但不能优化固体激光器的光束质量.%In order to distinguish the characteristics of composite and traditional non-composite crystal used in the diode pumped solid state lasers (DPSSL)and improve the efficiency of DPSSL, the thermal effe ct of based on YAP/Tm∶YAP composite crystal was studied.The finite element method (FEM) was employed.The temperature and heat stress were simulated, and the relationship between the thermal lens and un-doped crystal length was analyzed.Experimental results indicate that the peak temperature and the thermal stress of YAP/Tm∶YAP composite crystal rod decrease to less than 80% and 70% comparing with the non-composite crystal.The length of thermal lens is still constant under the condition of the variation of un-doped crystal length, which verifies that using the composite crystal in the DPSSL can benefit for the laserproperties of temperature and mechanics.Nevertheless, the beam qualityof DPSSL can not be optimized using the composite crystal.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2017(038)006【总页数】5页(P742-746)【关键词】复合晶体;热效应;半导体泵浦固体激光器;有限元分析【作者】杨丽颖;李嘉强;张金玉;徐晓明;曹剑【作者单位】核工业理化工程研究院,天津 300180;核工业理化工程研究院,天津300180;核工业理化工程研究院,天津 300180;核工业理化工程研究院,天津300180;核工业理化工程研究院,天津 300180【正文语种】中文【中图分类】TN248.4半导体激光泵浦固体激光器(DPSSL)的热效应一直是影响其输出功率、光束质量和可靠性等工作特性的重要因素[1-7]。

端面激光晶体热效应比较及分析的开题报告

端面激光晶体热效应比较及分析的开题报告一、研究背景及意义晶体激光是一种先进的光学探测技术，在现代光电领域具有广泛的应用。

随着科技的不断发展，针对晶体激光的研究也越来越深入。

其中，端面激光晶体热效应是研究的重要方向之一。

端面激光晶体热效应是指晶体激光工作时在晶体端面产生的热效应。

这种热效应会导致晶体材料中应力和变形的产生，因此对于晶体激光的性能和稳定性有着重要的影响。

目前，针对晶体激光的研究主要集中于热效应的检测和控制方面，因此对于端面激光晶体热效应的比较及分析具有重要的研究意义。

二、研究内容及方案1.研究内容本文将针对端面激光晶体热效应进行比较及分析，主要包括以下内容：（1）晶体激光的工作原理及热效应的产生机制分析。

（2）常见的端面激光晶体材料的热效应比较。

（3）端面激光晶体的热效应检测方法的研究和分析。

（4）针对端面激光晶体热效应的控制方法和技术的研究和分析。

（5）探讨端面激光晶体热效应对晶体激光性能的影响及其在实际应用中的作用。

2.研究方案（1）收集晶体激光的相关文献，了解晶体激光的工作原理及热效应的产生机制。

（2）对常见的端面激光晶体材料进行热效应的比较分析，比较不同材料在热效应方面的特点和优势。

（3）分析端面激光晶体热效应检测方法的特点和适用性，介绍并比较目前常见的检测方法。

（4）研究和分析端面激光晶体热效应的控制方法和技术，包括对晶体材料和环境的优化控制等方面。

（5）通过对端面激光晶体热效应对激光性能的影响分析，探讨其在实际应用中的作用及可能的应用前景。

三、研究预期结果1.深入研究端面激光晶体热效应的产生机理，对晶体激光的工作原理有更为深刻的理解。

2.比较不同晶体材料的热效应特点和优缺点，为晶体激光的应用提供理论基础。

3.研究和分析端面激光晶体热效应的检测和控制方法，为实际应用提供技术支持。

4.对端面激光晶体热效应对激光性能的影响进行深入探讨，为晶体激光应用的性能优化提供依据。

5.深化对晶体激光的研究，推动晶体激光在光电领域的应用和发展。

激光淬火知识点总结

激光淬火知识点总结激光淬火的工艺原理激光淬火是利用激光束高能量的瞬时性加热，使材料表面迅速升温到过温度，然后通过冷却淬火，使表面层产生相变，从而获得高强度、高硬度和高耐磨性。

激光淬火的工艺原理包括以下几个方面：1. 光热效应：激光束对材料表面的能量聚焦，使材料表面温度迅速升高，达到相变温度以上，造成局部的超淬质组织。

2. 瞬时性：激光淬火的加热时间极短，热输入高能量密度，迅速升温和降温，形成高强度和高硬度表面。

3. 相变效应：激光加热后迅速冷却，形成奥氏体和马氏体的相变，产生高强度和高硬度的组织结构。

激光淬火的设备激光淬火的设备一般包括激光器、光学系统、工件夹持系统和工艺控制系统等部分。

激光器是激光淬火的关键设备，激光器的类型通常有固体激光器、气体激光器和半导体激光器等。

光学系统用于对激光进行聚焦和整形，使激光能量能够集中到工件表面，工艺控制系统用于对激光加工参数进行实时监控和调节，以实现激光淬火工艺的精确控制。

激光淬火的工艺控制激光淬火的工艺控制包括激光参数、工件预处理、冷却介质和淬火温度等方面。

激光参数包括激光功率、激光脉冲宽度、激光脉冲频率等，这些参数对激光加工过程中的温度分布和物相变化有重要影响。

工件预处理包括表面清洁和除氧化层等，保证激光在工件表面有效加热，冷却介质包括气体、液体或固体，用于对加热后的工件进行迅速冷却，以稳定组织结构和性能。

激光淬火的应用激光淬火广泛应用于工具、模具、轴承、齿轮、汽车零部件等金属材料的表面强化和改性处理，获得高硬度、高耐磨性和高疲劳强度的表面层，提高材料的使用寿命和性能。

同时，在航空航天、船舶制造和兵器装备等领域也得到了广泛的应用。

激光淬火的发展趋势随着制造业对材料性能要求的不断提高，激光淬火作为一种先进的表面强化处理技术，具有广阔的应用前景。

激光淬火的发展趋势主要包括以下几个方面：1. 高能激光源和光学系统的发展，提高激光淬火的加工效率和加工质量。

2. 激光参数的精确控制和优化设计，获得更高的淬火效果和性能提升。

脉冲激光参数在烧蚀固体材料过程中的影响

脉冲激光参数在烧蚀固体材料过程中的影响作者：杨小琦张长水徐海斌叶宝娟来源：《硅谷》2009年第02期[摘要]介绍长脉冲激光和短脉冲激光与固体材料相互作用时的物理模型。

介绍激光作用过程中，脉宽、波长等激光参数对材料烧蚀阈值以及加工质量的影响。

[关键词]脉冲激光激光参数激光加工烧蚀阈值双温方程中图分类号：TN2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0120115－02一、引言自1960年第一台激光器问世起，激光技术就变现出了其强大的生命力，发展到现在几乎渗透到自然科学的各个领域。

随着激光技术的发展，激光与物质的相互作用不仅仅在纯物理研究领域里被人们普遍关注，而且在现代化生产和生活中也得到了广泛应用。

激光与物质的相互作用的主要物理现象之一就是其热效应。

这一过程跟多种因素有关，既与激光光源有关，又与作用材料及外部环境有关。

材料本身的热耦合系数、热常数、吸收系数、反射系数等都会对作用过程产生影响；激光光源的因素主要有脉宽、能量、功率密度、激光波长、重复率、光强分布等，其中任何一种因素都会对作用过程产生重要影响。

也正是激光参数的这种多样性给激光与物质相互作用这一研究领域增添了活力，进一步开拓激光的应用范围。

二、理论模型（一）长脉冲激光与物质相互作用的理论模型激光脉冲辐射到材料表面上，靶材就会吸收激光能量使自身温度升高，热量积累到一定程度就会对靶材造成破坏。

这种热转换主要由三种方式：电子热传导、声子热传导和辐射热传导。

长脉冲与物质相互作用的过程多用热传导方程来描述：式中K为热导率，P为材料密度，C为材料比热容，T为温度，t为时间变量，为每单位时间、单位体积传递热给固体材料的加热速率。

通常的假定条件如下：（1）被加热材料是各向同性物质；（2）材料的热物理参数与温度无关或取特定的平均值；（3）忽略热传导中的辐射和对流，只考虑材料表面的热传导。

（二）超短脉冲激光与物质相互作用模型随着激光技术的发展，出现了飞秒激光这种超短脉冲，其作用机理与传统的连续激光和长脉冲激光加工材料的机理不同，其激光场强非常高，是一个多光子吸收过程，非线性吸收是主要过程。

固体激光工作物质的热效应

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4.1.1热平衡下棒内温度分布 4.1.1 热平衡下棒内温度分布
在热平衡状态下，忽略冷却介质沿轴向的微小温度变化认为热流主要沿棒的径向传导热传导方程：
d T 1 dT Q 0 2 dr r dr K
T温度，温度 Q单位体积内发热功率，单位体积内发热功率 r棒横截面内任一半径大小，K热导率。
热致双折射之退偏效应
退偏系统示意图左图表示了光束的相关分量在经过系统前后的变化，θ表示起偏器偏振方向和y* 轴的夹角（起偏器与主双折射轴的夹角）。当光束经过起偏器入射到激活介质时各分量分别为偏器入射到激活介质时，各分量分别为：
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热致双折射之退偏效应
得到光束的透射强度：
当光束离开激活介质时，各分量为：
当光束离开检偏器后，各分量为：
热致双折射之退偏效应
左图说明左图说明：棒内光程差的大小分布和棒的长度无关，这不同于棒内温度场分布；影响光程差最大的因素是注入功率，注影响光程差最大的因素是注入功率注入功率越大，光程差越大，同等半径变化内光程变化越大；在棒的中心区域，光程差变化较缓，随在棒的中心区域光程差变化较缓随着向外延伸，光程差变化趋势越来越大，这体现出激活介质中心区域热致双折射较小。
Nd:YAG晶体的取向
在热应力在力Nd:YAG晶体中，与棒中棒轴垂直的平面内光率体的取向
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[111]方向 [111] 方向Nd Nd：：YAG YAG的热致双折射的热致双折射
X
nφ
φ
θ
nr
Y
1 3 αQ 2 2 nr n0 n0 (q2 r0 Cr r ) 2 K 1 3 αQ nφ n0 n0 (q2 r02 Cφ r 2 ) 2 K

二极管泵浦固体热容激光器热效应研究

二极管泵浦固体热容激光器热效应探究引言：二极管泵浦固体热容激光器是一种基于固体材料的激光器，其主要特点是激光器晶体中的能级较高，具有较大的固体热容。

热效应是固体激光器中的一个重要问题，热效应会降低激光器的性能和输出功率稳定性。

因此，探究二极管泵浦固体热容激光器的热效应对激光器的优化设计和性能提升具有重要意义。

一、热效应的原理二极管泵浦固体热容激光器中的热效应是由于激光器晶体在光学泵浦过程中吸纳的部分能量被转化为热能而导致的。

晶体具有较大的热容，当光子能量被吸纳后，晶体温度会上升，从而导致晶体的热膨胀。

热膨胀会引起激光器光腔的尺寸变化，从而导致激光器输出功率的变化。

此外，激光腔的尺寸变化还会引起光腔模式的偏移，进一步影响激光器的性能。

二、热效应的影响1. 输出功率的变化：热效应会导致激光器的输出功率发生波动和变化。

当晶体温度提高时，激光器腔内的折射率也会发生变化，导致腔内光的传输特性发生改变，从而影响激光的输出功率。

此外，热膨胀还可能导致腔内激光模式的偏移，使得激光器的输出功率变得不稳定。

2. 光学泵浦效率的降低：在二极管泵浦固体热容激光器中，光子能量被吸纳后会被转化为热能，而不是完全转化为激光光子。

因此，晶体的温度提高会降低光学泵浦效率，导致激光器的发射效果不佳。

3. 激光腔的稳定性降低：由于热膨胀引起的激光腔尺寸变化，使得激光器的腔内模式产生偏移，导致激光输出功率的不稳定性增加。

这将给激光器的应用带来一些困扰，特殊是对于要求高稳定性的应用。

三、热效应的探究方法1. 温度测量：探究热效应的首要任务是对晶体温度进行准确测量。

目前常用的温度测量方法有红外热像仪和热电偶等。

通过对晶体表面的温度分布进行测量，可以了解热效应在激光器中的分布和变化状况。

2. 仿真模拟：借助计算机软件进行热效应的仿真模拟是一种常用的探究方法。

通过建立激光器的热传导方程和热光耦合方程，可以得到激光器晶体的温度分布和热效应对激光器性能的影响。

激光辐照下固体材料的温度分布理论研究(1)

1226
强
激
光
与
粒
子
束
第 16 卷
T = 0 T 以上式中 : 为热扩散系数 ( 导温系数) , = = h/ 。
t V = 0
t= 0
( 1d) ( 1d )
t = 0=
0
/ c p , 表示介质密度 , cp 是比定压热容 , 为热导率( 导热系数) ; H
热传导问题( 1) 式的解取决于初始条件和施加的边界条件。 T ( x, y, z, t) 用格林函数 G( x, y, z, t | x , y , z , ) 可以表示为 T ( x , y , z , t ) = G( x , y , z , t | x , y , z , ) g( x , y , z ) dx dy dz d ( 2) 式中: V 是区域的体积。对于 3 维热传导问题, ( 1) 式相应的格林函数 G( x, y, z, t | x , y , z , ) 可以表示为 G( x, y, z, t | x , y , z , ) = ( m + n + p) ( t - ) ] X ( m, x ) Y( N( m) N ( n ) N ( p ) m= 1 n= 1 p= 1 式中: X ( m , x ) , Y( n , y ) , Z( p , z ) 分别为本征函数 ; N(
3
结
论
本文从一般的热传导方程出发, 利用格林函数方法得到了强激光辐照下固体介质的温度场分布的解析形式。由于热传导方程中既含时间 , 又有内热源, 同时又考虑到边界对流热交换 , 在理论计算中 , 内热源项 g
Fig. 6 Laser induced t emperature rise T vs spot size of laser beam 图6 中心温升 T 与光斑半径的关系

LD端面泵浦激光晶体热效应分析

LD 端面泵浦激光晶体热效应分析李健1 孙尧1 李涛1 张帅一1 于果蕾11. 山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南 250014摘要：通过求解泊松热传导方程，得出了矩形截面Nd:YVO 4 ,Nd:GdVO 4和Nd:GdYVO 4激光晶体中心泵浦和偏心泵浦情况下，晶体泵浦端面的温度分布。

研究表明，偏心泵浦时，晶体泵浦端面最高温升较中心泵浦分别下下降了11.4%,13.5%,7.7%。

并且计算了Nd:YVO 4,Nd:GdVO 4和Nd:GdYVO 4激光晶体端面在达到热平衡时的热形变量，三种晶体的最大热形变量分别为2.6045m μ，0.536m μ，0.8549m μ。

关键词：Possion 方程，激光晶体，偏心泵浦，热形变一、引言激光二级管（LD ）泵浦的全固态激光器具有体积小、效率高、稳定性好和寿命长等优点，再国防、光电子产业、光通讯和医疗卫生等领域有着重要的应用。

激光晶体是全固态激光器中最重要的核心部分，在很大程度上它决定了激光器的输出特性，为了获得高效激光输出，在一定运转方式下选择合适的激光晶体是非常重要的。

在全固态激光器中，Nd:YVO 4和Nd:GdVO 4以其优良的物理、化学及激光特性，被广泛的应用在各类激光产品中[1][2]。

最近在Nd:YVO 4和Nd:GdVO 4的基础上，一种新的钒酸盐晶体Nd:Gd x Y 1x VO 4逐渐引起了人们的注意。

Nd:Gd x Y 1-x VO 4是由Y(Gd)部分地代替Nd:GdVO 4(Nd:YVO 4)中的Gd(Y)形成的新的钒酸盐晶体。

三种晶体具有相同的晶体结构，它们的吸收波长中心都在808nm 附近。

Nd:YVO 4晶体具有较高的吸收系数和受激发射截面，Nd:GdVO 4晶体则具有较高的热传导率[3]。

Nd:GdYVO 4具有和Nd:YVO 4，Nd:GdVO 4相同的晶体结构，但由于融合了两种晶体的特点，具有自身的优势[4]。

解析激光在材料加工中的效应

解析激光在材料加工中的效应激光已成为现代制造业中重要的加工工具之一，其应用范围包括切割、钻孔、焊接、雕刻等多个领域。

激光加工具有高精度、高效率、无接触等特点，以及能够对多种材料进行加工，因而在现代制造业中得到了广泛的应用。

本文就激光在材料加工中的效应进行一些解析和探讨。

激光是一种聚焦后具有高能量密度的光束，它对各种材料产生的影响主要包括三个方面：热效应、光化学和力学效应。

其中，热效应是最为显著的一个方面。

热效应是指激光辐射能量加热材料，从而使材料的温度升高，产生局部熔化、蒸发、膨胀等现象。

当激光束的功率密度高于材料的热导率时，激光束在材料内产生的热量难以扩散出去，导致局部熔化和汽化。

这种效应通常被用于材料的切割和钻孔。

光化学效应是由激光束照射后，在材料表面产生的光化学反应。

这种效应通常用于对有机污染物的清洗和材料表面的改性。

力学效应是指激光束辐射后，产生的动量的力量对材料作用，从而产生剪切、弯曲、拉伸等效应。

这种效应通常用于材料的表面处理和弯曲加工等。

不同的激光类型和波长对材料的效应也有所不同。

常用的激光类型包括：二氧化碳激光(CO2)、氮气激光(N2)、Nd:YAG激光、光纤激光等。

其中，CO2激光的波长为10.6微米，能够在金属、陶瓷和塑料等材料上进行切割和焊接加工，而Nd:YAG激光的波长为1.06微米，较CO2激光更易于在金属和非金属材料上进行加工，常用于焊接、钻孔和雕刻等。

另外，激光加工的效率也受到几个因素的影响，例如激光功率、激光脉冲时间、激光波长、材料特性等。

功率越大，材料加工效率越高，但是也可能导致材料的氧化、脆性增加等问题。

在增加功率的同时，适当调整激光脉冲时间和波长，能够更好地优化加工效果。

此外，材料的热导率和热膨胀系数等特性也会对激光加工的效率产生影响。

因此，在进行激光加工前，需要对材料的特性进行详细分析和研究，以确定最佳加工方案和参数。

需要注意的是，激光加工虽然具有高效、高精度等优点，但也有一些局限性。

激光辐照铝合金材料热效应分析

激光辐照铝合金材料热效应分析激光辐照铝合金材料热效应分析引言：近年来，随着激光技术的快速发展，激光辐照已经成为一种广泛应用于材料处理和加工领域的重要方法。

在激光辐照过程中，激光能量会被材料吸收，并转化为热能，导致材料发生热效应。

研究激光辐照材料的热效应，对于深入理解激光与材料相互作用的机理以及优化激光加工过程具有重要意义。

本文将对激光辐照铝合金材料的热效应进行分析与探讨。

一、激光辐照的热效应激光辐照时，激光能量会被材料表面吸收，进而扩散到材料内部，并通过热传导使整个材料受热。

在热效应分析中，主要关注以下几个方面的热效应。

1. 热传导效应激光辐照时，材料内部的热将通过热传导向周围扩散。

热传导效应的强弱取决于材料的导热性质和温度梯度。

辐照时的高温区域会通过热传导作用向低温区域传递热能，导致温度分布的均匀化过程。

2. 热膨胀效应材料在受热后会发生热膨胀，这是因为高温使材料内部原子的热运动增强。

热膨胀效应会导致材料尺寸的变化，尤其是对高温下非均匀受热的材料而言，可能引起材料的形变和应力集中。

3. 熔化效应当激光功率达到一定阈值时，材料表面会发生熔化现象。

熔化效应是由于激光的高能量使材料表面温度升高到熔点以上。

熔化时，材料表面的固态结构被打破，原子之间的结合力降低，形成液态。

在熔化过程中，液态材料可能会发生流动、凝固或进一步气化。

二、激光辐照铝合金材料的热效应分析铝合金作为一种常用的工程材料，在激光辐照过程中也会发生热效应。

激光辐照铝合金材料的热效应主要表现为以下几个方面。

1. 温度分布激光辐照使铝合金材料受热，导致温度分布的变化。

温度分布取决于激光功率、扫描速度、辐照时间以及材料的导热性质。

通常情况下，激光的光斑在材料表面会形成一个高温区域，随着扫描的进行，高温区域会随着激光的移动而改变。

温度分布的变化对于材料的热处理和加工过程有重要影响。

2. 热膨胀和形变激光辐照铝合金材料时，热效应会导致材料的热膨胀和形变。

激光对固体材料的热效应

激光与金属材料相互作用的热效应分析

激光与金属材料相互作用的热效应分析简欣;徐让书;邵长浩;李骏【摘要】激光与金属材料相互作用的热效应是激光束辐照材料后发生的主要物理现象之一.激光加热使材料温度急剧上升,很快达到材料的熔点.通过使用商业CFD 软件FLUENT数值模拟激光辐照金属材料的相互作用,并在一定的假设和边界条件下得到金属材料未熔化之前温度场沿径向和轴向分布情况、气流最高温度的变化和位置的转移、氧化反应和对流换热对热效应的影响.【期刊名称】《沈阳航空航天大学学报》【年(卷),期】2014(031)001【总页数】4页(P33-36)【关键词】激光辐照;金属材料;温度场;数值模拟;热效应【作者】简欣;徐让书;邵长浩;李骏【作者单位】沈阳航空航天大学航空航天工程学部(院),沈阳110136;沈阳航空航天大学航空航天工程学部(院),沈阳110136;沈阳航空航天大学航空航天工程学部(院),沈阳110136;沈阳航空航天大学航空航天工程学部(院),沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TN241激光辐照金属材料是一个极其复杂的物理与化学变化过程，激光辐照下金属材料表面温度将会快速上升，很快达到材料的熔点。

尹益辉等[1]总结了快速加热下金属力学性能温升率效应研究的有关工作和结果。

袁永华等[2]分析了不同频率激光辐照涂层壳体材料的温升特性。

赫秋龙等[3]考虑了材料的质量热容、热导率、驰豫时间等热力学参数随温度非线性变化因素的影响。

他们都没有研究氧化反应对金属温升以及气流温度的影响。

激光加载下金属材料的温度场以及相变过程取决于壁面的加载条件，在有附面层气流切向吹过靶材表面时，气流流动引起的对流换热以及靶料和空气中氧气发生的氧化反应放出的热量将对靶材内部温度有影响。

氧化反应的放热量由氧化反应热和氧化反应的程度所决定[4]。

本课题主要研究在激光加载下，从激光加载时刻开始，金属靶材就会与表面气流中的氧气发生反应，而且有亚音速气流流过金属表面，对流换热、氧化放热和激光加载的能量综合作用在靶材上影响靶材的温度场和气流的温度。

激光与金属材料相互作用的热效应分析

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｌｅｃｔｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｌａｓｅｒａｎｄｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｈｙｓｉｃａｌｐｈｅｎｏｍｅｎａｗｈｅｎｈｅｔｌａｓｅｒｉｒｒａｄｉａｔｅｓｍｅｔａｌｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅｌａｓｅｒ — ｉｎｄｕｃｅｄｈｅａｔｉｎｇｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｓｈａｒｐｔｅｍ— ｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｒｅｏｆｍｅｔａｌｓｕｒｆａｃｅ．ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｓｏｏｎｒｅａｃｈｍａｔｅｉａｒｌｍｅｌｔｉｎｇｐｏｉｎｔ．ＢｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌＣＦＤＳＯｆｔｗａｒｅＦＬＵＥＮＴ，ｔｈｉｓＰａｐｅｒｅｘａｍｉｎｅｓｈｅｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｌａｓｅｒａｎｄｍｅｔａｌｍａｔｅｉａｒｌｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｇｈｔｓｐｏｔｒａｄｉｕｓａｎｄｇｅｔｓｍｅｔａｌｍａｔｅｉａｒｌｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｅｆｌｄａｌｏｎｇｔｈｅｒａｄｉａｌａｎｄａｘｉａｌｂｅｆｏｒｅｍｅｌｔｉｎｇｕｎｄｅｒｃｅｒｔａｉｎａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｓａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｎｄａｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｌｏｆｗａｎｄｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎ．ａｎｄｈｏｗｏｘｉｄａｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｈｅａｔｔｒｎｓａｆｅｒｉｎｆ１ｕｅｎｃｅｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｅｃｔｓｉｓａｌｓｏｏｂｓｅｒｖｅｄ．

蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制

学校编码：10384 分类号密级学号：S*********UDC硕士学位论文蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制 Heat Effect Problem of Blue Laser and It’s Temperature Control 黄剑平答辩委员会主席：评阅人：2006 年 5月指导教师姓名：许惠英副教授专业名称：无线电物理论文提交日期：2006年5 月论文答辩时间：2006年5 月学位授予日期：2006年月蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制黄剑平指导教师许惠英副教授厦门大学厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。

本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。

本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。

声明人（签名）：年月日厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。

厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。

保密的学位论文在解密后适用本规定。

本学位论文属于1、保密（），在年解密后适用本授权书。

2、不保密（）（请在以上相应括号内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要目前，激光领域中蓝光固体激光器由于自身具有效率高、结构紧凑、输出稳定、寿命长等优点，加上其在许多领域具有广泛的应用前景而倍受关注。

但目前输出功率达到瓦级水平的蓝光激光器的技术还不够成熟，因而进行这方面的研究具有重要的现实意义。

本论文的课题是研制瓦级蓝光固体激光器。

由于影响蓝光激光器工作性能的最主要的一个因素就是其晶体的工作温度，本文就蓝光固体激光器工作晶体的热效应问题进行探讨，并介绍了激光晶体温度控制器的设计。

激光二极管泵浦YAG-Yb_YAG键合晶体固体激光器热效应分析

激光二极管泵浦YAG-Yb_YAG键合晶体固体激光器热效应分析激光二极管泵浦YAG/Yb:YAG键合晶体固体激光器热效应分析引言：随着激光技术的发展，固体激光器由于其高能量密度、高转换效率、紧凑结构等优势，成为广泛应用于科研、工业、医疗等领域的重要工具。

其中，激光二极管泵浦YAG/Yb:YAG键合晶体固体激光器以其优异的性能表现受到了广泛关注。

然而，在实际应用中，固体激光器的热效应问题成为限制其高功率及长脉冲工作的关键因素。

因此，本文将重点分析激光二极管泵浦YAG/Yb:YAG键合晶体固体激光器的热效应，并探讨其产生的原因以及可能的解决方法。

一、热效应的背景与原因分析固体激光器的热效应主要来源于光学器件吸收光能导致的热量积累，其中包括晶体的吸收损耗、泵浦光功率、激发态浓度等因素。

在激光二极管泵浦YAG/Yb:YAG键合晶体固体激光器中，YAG材料具有较高的热导率，但Yb:YAG材料由于浓度较高和热导率较低，容易产生较大的热效应。

由此引发的热应力、热焦耳效应等问题，限制了激光器的高功率工作。

二、热效应的热力学分析基于热力学原理，我们可以对固体激光器的热效应进行分析。

当光能被固体吸收时，会引起晶体温度的升高。

晶体的温度升高将导致晶体表面产生热导率梯度，产生热应力。

此外，晶体的热膨胀也会引起晶体内部的热应力。

而这些热应力会对晶体的折射率和透过率产生影响，进而引起激光器的波动。

因此，了解热效应的热力学机制对解决固体激光器的热问题具有重要意义。

三、热效应的影响分析1. 激光器输出功率衰减：由于热效应导致产生的热损失，固体激光器的输出功率会逐渐下降，从而影响其使用寿命和性能。

2. 波长色散的变化：热效应会引起晶体的折射率发生变化，从而使得输出激光的波长发生偏移。

3. 光束畸变和模式竞争：热效应可能导致晶体的形状轻微变化，从而使得输出的激光束产生畸变，同时还可能导致多模竞争，影响激光器的模式质量。

四、降低热效应的方法1. 降低泵浦光的功率密度：减小泵浦光的功率密度可以降低泵浦光对晶体的吸收损耗，从而减轻热效应产生的问题。

激光器件3工作物质的热效应

§2.1.4 固体激光器的热效应
9
2.激光棒中的热应力
工作物质内热应力产生的主要原因是内部温度分布不均匀，内、外层材料由于存在温差而产生机械应力
棒中心(r=0)
0
6PdE 16LK(1 )
（8）
棒表面(r=r0)
r0
2PdE 8LK(1 )
（9）
α为热膨胀系数; E为杨氏模量；为泊松比
材料
红宝石
6
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
§2.1.4 固体激光器的热效应
7
计算例子
Pin= 4000W，则Pd=Pin=200W，棒长 L=88mm，r0=2.5mm，rF=4mm，冷却水流速
out=200-250W；L=7.5cm； r0=0.32cm;rF=0.7cm,Pd=600W；冷却液流速m=142g/s；冷却水温TF=20℃。
§2.1.4 固体激光器的热效应
3
一、连续激光器的热效应 1.激光棒内的温度分布
冷却玻璃管工作物质
若激光棒被均匀泵浦，棒周围散热情况相同，忽略冷却介质沿棒轴方向的微小温度变化，则可视热流主要沿棒的径向传导，可用一维热传导方程描述热稳定状况下的热流分布
泵浦光
冷却液
2T r 2
1 r
T r
热应力双折射与输入功率Pin成正比，随r 增加而增加，棒边缘双折射最大，棒中心最小。应力双折射，将引起偏振光退偏。线偏光工作的激光器，退偏损耗常导致器
件的效率大大降低。
§2.1.4 固体激光器的热效应
12
4.激光棒的热透镜效应
棒内各处的温度和热应力不同，导致各处的折射率不相同，若以棒中心的温度为标准，棒内折射率的空间分布，表示为

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研究现状
1.长脉冲作用于光电探测器的研究现状
CarsalwHs(1959)首先使用积分变换法给出了较简单的激光加热问题时物体温度场的解析解或近似解。七十年代,Kurer等人对光电探测器的激光热破坏进行了研究,并利用热传导模型做了热效应分析。Moyer等人研究了短脉冲激光辐照下半导体材料的表面效应。蒋志平等研究了激光辐照Insb探测器的温升过程,计算和讨论了胶层的热导率、厚度对激光破坏闽值及热恢复时间的影响，还对激光辐照PC型HgCdTe探测器热损伤做过计算。强希文等考虑了自由载流子吸收、单光子光致电离吸收和双光子光致电离吸收等激光吸收机制,考虑了材料的光学、热学性质的温度关系及热输运的非线性关系, 通过求解温度和载流子密度的祸合扩散方程,给出了材料内温度和载流子密度的瞬态分布,对半导体材料激光损伤效应进行了数值求解。在激光与材料损伤机理研究中,很多情况下未考虑径向热传导的影响.强希文等利用径向热传导方程计算了薄靶材的径向温升分布。沈中华等考虑了材料的热物性参数在计算过程中的变化和入射激光的空间分布,采用二维模型,得到Si材料在强激光作用下的轴向和径向温升分布,给出了表面层开始熔化的时间与激光功率密度关系。还根据激光加热和熔融过程中的能量守恒方程,通过假设一种符合物理和数学要求的温度分布形式,得到材料熔融前后的温度分布、熔融界面推进速度和熔融深度变化的解析解,据此进行计算,得到了几种典型的半导体材料的动态温升曲线。
研究现状
2.飞秒激光研究现状
前苏联学者L.Anisimov等在1974年就提出了超短脉冲烧蚀金属的双温模型,该模型从一维非稳态热传导方程出发,给出了电子和晶格在脉冲持续期间温度变化的微分方程。后来,许多学者以此模型为基础开展了大量的研究。例如,1986年GL.Eesloy通过测量皮秒以下激光对铜作用时反射率的变化,研究了铜材料中的电子和晶格温度的非平衡现象,并用双温模型给出了很好的解释。1988年P.Bcorkum等在一定条件下对双温模型进行了解析求解,推导出一个脉宽值表达式,揭示出当脉宽小于这个表达式值时,能流闽值不满足正比τ1/2的规律.1996年B.N.Chiehkov等研究了脉冲激光对不同金属靶材的烧蚀, 揭示了超短脉冲烧蚀的优越性;并在不同脉冲时间内,对双温方程进行约化得到不同的解析模型.1999年Falkovsky和Msihchonk基于波尔兹曼方程和费米狄拉克配分函数提出了热电子爆炸模式,用以描述金属材料中的超快形变.2002年J.K.Chne等,综合双温模型及上述热电子爆炸模式,在假定单轴应变三维高压条件下,提出一系列相互关联的瞬时热弹性变形方程。对激光与物质相互作用的数值计算就是从特定的物理模型出发,用计算机进行数值计算或模拟,从而揭示激光与物质相互作用的某些性质和运动规律。激光与物质的热作用研究主要是计算激光辐照下物质温度的变化,以及温度变化引起的一些热效应。
激光对固体材料的热效应
学生: 文丞 S1403W0140 导师：余剑武
前言
自从T.H.梅曼在1960年研制出世界上第一台激光器诞生至今,各种激光器层出不穷,如气体激光器、液体激光器、固体激光器、化学激光器、准分子激光器和半导体激光器等。这些激光器的应用,遍及工业、农业、医学、军事、科学研究等许多方面。例如,脉冲或连续激光器的聚焦光束能在坚硬的材料上打出直径为微米数量级的小孔,这一现象在精密仪器加工、激光微外科、激光微加工、激光打孔、激光切割等方面均获得了广泛的应用。又如用高功率 CO:激光器切割几厘米厚的钢板并非难事。再如,美国政府战略防御计划中,关于激光器的开发和应用经费占有相当高的比例。激光器在空间防御武器系统中也有着重要的应用,诸如激光阻止或杀伤敌方目标而完成特定作战任务,摧毁敌方目标上光电传感器和制导系统等。这些应用也促进了激光技术和激光物理学的进一步发展。当高功率激光光束作用于靶表面时,靶表面吸收大量激光能量,引起靶物质温度升高、熔融、气化、直至产生喷溅等现象。具体过程不仅依赖于激光参数(能量、波长及脉宽等),还与靶物质的物理特性和作用环境条件密切相关。一般说来,不同数量级的激光功率密度作用下的靶表面发生的物理现象是:
研究方法
研究激光对物质的热作用过程,主要有三种方法,即实验方法,理论模型分析方法和数值计算方法。实验方法比较精确,但实验成本一般较高,实验条件比较苛刻。理论模型分析方法都是在一定的限制条件下提出的,许多假设与实际情况相差甚远,因此结果也是近似的,很难指导实际情况。对于激光热效应而言,虽然材料在激光作用下的传热遵从热力学的基本规律,包含传导、对流、辐射这三种传热形式,但它有自身的许多特殊性,例如:加热速度快;温度梯度大;材料表面激光作用区内的激光光强分布不均匀;在激光辐射加热过程中,材料的吸收率及其它热物性参数随温度变化等。因此,这是一个复杂的问题,很多热模型与实际情况存在一定的误差,至今仍没有与实际符合很好的激光热模型"而数值计算方法则非常灵活,能综合考虑实际条件,较好的模拟激光与物质相互作用过程, 且成本低廉,不受实验条件限制。
103~104W/CM3 104~106W/CM3
加热熔化
106~108W/CM3
汽化
108~1010W/CM3
等离子体
什么是激光与物质的热效应？
激光与物质的热效应是激光束入射于靶物质后发生的主要物理现象之一。激光加热使材料升温,发生热扩散热膨胀和热应力"如果激光能量在金属塑料等材料中的沉淀足够强,材料表面层局部区域会发生熔融和气化,这样就可以利用激光来打孔、切割及其它许多应用。
激光焊接
激光打孔
激光切割研ຫໍສະໝຸດ 背景激光作用于物质上就会发生反射、散射和吸收，热学和力学效应是激光被物质吸收后发生的主要物理现象。入射激光通过逆韧致吸收过程在材料表面趋肤深度内被吸收,并在亚纳秒时间内转化为热能。这样物质温度会升高,物质的状态、结构就会发生改变。因此,可利用激光束对工件进行刻标、切割、钻孔、焊接、热处理、重熔、表面合金等,应用前景远大。热处理在材料技术中有着广泛的应用,诸如金属的软化或硬化,半导体参杂扩散,混合物的复合形成,塑料的聚合等,所以研究激光与物质的相互作用的热效应意义重大。在激光与典型的半导体材料损伤机理研究中,热效应是其中最重要的物理效应之一。当探测器材料受到一束连续波激光辐照时,由于吸收激光的能量,导致材料的加热,使之出现一个随时间变化，随空间分布的温度场,从而使探测器的性质发生变化, 或发生暂时性失效或产生永久性损伤。因此,研究连续激光辐照探测器材料产生的温升效应,就成为激光武器、激光加工和激光防护及加固技术中的重要课题之一。