激光对固体材料的热效应..
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
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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。