伍志坚[1]2003年在《相变制冷在激光腔镜中的应用研究》文中进行了进一步梳理本文以大连化学物理研究所的高功率氧碘化学激光器激光腔镜为研究对象，分析在强激光辐照作用下的激光腔镜吸热发生的热变形现象。相变制冷技术作为迅速发展的交叉学科被引入激光领域，用于解决这类热变形问题。它具有明显的优点，但有关这一方面的理论和应用研究，还很不完整和成熟。本文综观现有的文献资料，设计制作一个有孔阵列空腔结构的、并填入特定相变材料的试验镜和一个作对照的实体铜镜，并就此进行理论与实验研究。本文探讨了在快速的高功率激光作用下，傅立叶导热定律有可能不适用的置疑，并在传统的导热微分方程的基础上建立导热和相变数学模型，引用了较流行的有限元法进行数值分析，明确求解温度场的一般思路。本文选用大型的有限元通用软件ANSYS，分别对制作的实体铜镜和相变制冷镜进行温度场和热变形计算，并在大连化物所激光实验室进行实测，取得的实验数据与计算结果对比基本一致，二者均证实了装入相变材料能达到一定的制冷效果和有效改善热变形。本文首次提出运用ANSYS软件对相变制冷激光腔镜进行数值计算仿真，实验验证了模型的正确，对进一步研制高性能的相变制冷镜，在腔镜镜体材料选择，内部结构优化，相变材料开发等方面具有十分重要的指导意义。
陈佳元[2]2009年在《高功率TEA CO_2激光器腔镜热稳定性研究》文中研究表明高功率TEA CO_2激光器由于输出功率高,工作波长处于大气长波红外窗口等特点,在光电对抗、激光推进和激光武器中有广阔的应用前景。在这些应用中,激光传输的距离达到数公里甚至数千公里,所以要求输出的激光光束质量非常高。激光光束质量除了与激光器本身性能相关外,还与激光腔镜的热变形密切相关。在高能激光系统中,激光反射镜镜表面和窗口激光辐照区域在激光辐照下吸收一部分光能,形成不均匀的温度场,从而产生热应力并发生镜面热变形。这种不均匀变形将引起光束质量下降,严重制约TEACO_2激光的远距离应用。因此,研究激光腔镜的热稳定性,掌握腔镜的热变形规律,对控制激光腔镜的热变形,提高激光输出质量具有重要的现实意义。本论文在前人研究的基础上,围绕激光腔镜的热稳定性作了进一步研究,以寻求更加有效的腔镜热变形抑制方法。首先,从一般热传导方程出发,结合高功率TEA CO_2激光器工作特点,得到了TEA CO_2激光反射镜及窗口的温度场分布以及热变形解析解。运用差分法计算了硅镜在CO_2激光照射下的热变形,计算结果表明:镜面变形是由镜体材料的热、结构性能、镜体装夹方式以及镜体冷却方式共同决定。其次,针对窗口及凸镜处于输出光路包围中,无法用常规的冷却方法进行冷却的技术难题,提出了采用涡流管对窗口及凸镜进行冷却的方法。建立了有限元模型,通过有限元软件ANSYS模拟分析并实验验证了涡流管对窗口及凸镜冷却的有效性。模拟结果表明:涡流管冷却窗口时,当冷却风速为200m/s时,窗口最高温升较自然冷却降低达54.9%。窗口轴向热变形峰谷差仅为自然对流时的17.6%;实验实时测量了单脉冲平均能量18.3J,在不同工作频率下及是否采用涡流管冷却情况下的光束模式,并计算出衍射极限倍数因子值,当激光器工作频率3Hz,连续运行300s,没有涡流管冷却时衍射极限倍数因子值由3.52变化到6.94,采用涡流管冷却后,该值仅由3.50变化到3.88。随后,分析了水冷腔镜的结构包括反射镜装夹方式、镜面厚度、水槽尺寸、流道形状和水冷区域等影响镜面热变形的因素。结果显示:本论文提出的凹台周向夹持方式较常用的夹持方式对镜面轴向热变形减小22%以上;水冷区域的大小对镜面热变形影响显着,其有一个最佳值;提出了弧形不等深水冷流道结构,模拟计算结果表明:二维弧形不等深流道较普通直沟道能减小镜面热变形90%以上。最后,提出并探讨将平面热管应用于腔镜冷却,给出热管冷却镜方案,并模拟计算了相同结构下硅镜镜面热吸收12W/cm~2,实心镜、微沟道水冷镜与热管腔外冷却镜连续工作60s下镜体温升和镜面变形量,计算结果表明:热管腔外冷却镜镜面轴向位移最大峰谷差为0.1094μm,微沟道水冷镜最大峰谷差为0.845μm,实心镜镜面最大峰谷差为1.33μm,腔外冷却镜对镜面变形改善显着。提出并初步探讨了光学补偿的方法来进一步减小腔镜轴向热变形的可能性和可行性,数值研究表明光学补偿能有效减小镜面因热变形导致的轴向变形峰谷差。
何崇文[3]2015年在《硅基多孔不变形镜的研制》文中认为高功率激光工作时反射镜由于吸收部分激光能量导致镜面热畸变,影响光束质量。采取主动冷却技术来抑制镜面热畸变是目前的主流方法,但是常规的水冷镜难以满足高功率激光器的使用需求。多孔结构由于具有高表面积/体积比,并能够带来附加热弥散效应等特点,具有很强的换热能力,所以采用多孔结构制作热沉层的不变形镜拥有较强的镜面热畸变抑制能力。Si材料由于具有良好的光学加工性能和热物理性能,是激光反射镜的最优和最常用材料之一,但是受叁维加工能力的限制,目前还没有合适的方法制作Si基多孔不变形镜。本论文提出采用选区激光烧结技术(Selective Laser Sintering, SLS),成功地制备了Si基多孔不变形镜,并对其抑制热畸变能力进行了优化,具体如下：(1)针对Si基底难以直接烧结Cu基多孔结构的特性,采用添加过渡层的方法对Si基底进行改性,通过实验比较了热喷涂、等离子体喷涂和激光烧结等几种过渡层的制备方法,最终采用SLS技术烧结Cu、Cu-P和Si02的混合粉末的方法成功实现了所需过渡层的制备,并对其机制进行了分析。结果表明：采用SLS技术制备的过渡层,其与Si基底的连接方式为冶金—机械混合结合的方式；Cu原子通过填隙扩散的机制进入Si基底生成了Cu3Si合金相；Cu原子能够向Si基底良好扩散的原因为P降低了Cu原子的扩散激活能以及Si02粉末对10.6μm波长激光良好的吸收增加了扩散时间；此外Si02粉末对10.6μm波长激光良好的吸收也改善了Cu-P与Si基底间的润湿性,减少了球化现象,从而实现了过渡层与Si基底良好的冶金结合。(2)采用SLS技术在过渡层上进行了Cu基多孔结构的烧结,实现了Si基多孔不变形镜的制作,并对Si基多孔不变形镜在激光辐照下镜面热畸变进行了实验研究,得到了镜面热畸变随时间和净吸收激光功率密度变化的规律：随着激光辐照时间的增加,镜面热畸变在0-1s内急剧增长,在1s以后进入缓慢增长阶段,随后进入稳态基本不变；镜面热畸变达到稳态所需的时间与激光净吸收功率密度有关,净吸收功率密度越大,达到稳态所需的时间越长,在本论文中,当净吸收功率密度为5.3×105W/m2时,镜面热畸变达到稳态需要6s；达到稳态后,镜面热畸变的大小随着激光净吸收功率密度的上升而上升。(3)采用简单立方堆迭模型,分析了不同孔隙率的镜体在激光辐照时的镜面热畸变,模拟结果显示镜面最大热畸变量随着多孔结构中孔隙率的增加呈现先减少后增大的趋势；提出了特征对流换热长度函数H (dp, dn, e)及其计算公式,特征对流换热长度函数H的值越大,多孔结构的等效换热系数就越大。(4)采用添加致孔剂的方法,实现了高孔隙率多孔不变形Si镜的制备,并在固定工艺参数情况下,分析了多孔结构的孔隙率、孔隙大小、机械性能与致孔剂的添加量的关系,发现随着致孔剂添加量的增加,孔隙率和孔隙大小也随着之增加,而多孔结构的叁点弯曲强度随之降低。(5)研究了孔隙率对镜面热畸变大小的影响规律：不同孔隙率下镜面的热畸变随时间变化的趋势一致；在一定范围内,随着多孔结构孔隙率的增加,Si基多孔不变形镜的热畸变量会随之减少,而当多孔结构孔隙率超过某一范围时,Si基多孔不变形镜的热畸变量又会随之增加,其规律与模拟结果相符；在激光净吸收功率密度为5.3×105W/m2时,孔隙率为49.1%的Si基多孔不变形镜呈现最小的镜面热畸变,其大小为253nm。
聂山钧[4]2014年在《强激光辐照下K9玻璃反射镜热变形特性研究》文中研究说明论文在考虑周围空气温升和反射镜热辐射的情况下，通过理论分析和数值计算，研究了广泛应用于激光系统中的K9玻璃在连续高斯激光辐照下的热变形规律，得到了激光辐照下K9玻璃反射镜及周围空气温度场随时间的变化和镜面热变形分布随时间的变化关系。详细分析激光作用于K9玻璃反射镜所引起温度场和热畸变特性。温度场的模拟分析表明：在激光辐照的初始阶段，镜体温度上升较快，随着激光辐照时间的加长，温度上升逐渐变缓；同时，由于对流作用，镜体附近的空气温度会随着时间的变化而不断的升高，在距反射镜约10mm处，其温度基本接近环境温度；在反射镜的整个温升过程中，光照区域的温度要远高于周围的非光照区域。在对镜面热变形的分析中可以看到：镜面热变形量与吸收功率、光斑大小和辐照时间有关。同样，在激光辐照的初始阶段，反射镜热变形量迅速增加，随着激光辐照时间的增加，热变形增加量逐步变缓；但热变形到达稳态的时间要远小于镜体达到热平衡的时间最后，通过实验测量了镜面温度分布和镜面热变形随时间的变化，并对影响镜面热变形测量结果的因素进行了定量分析，光束的入射角和光斑尺寸存在的误差是影响测量结果精确度的主要因素。结果表明，该模型可以较好的预测激光辐照下镜面的热变形，对该模型的解析为强激光辐照下镜面热变形的理论仿真和实验验证提供了理论依据。
杨峰[5]2007年在《涡流管冷却同轴非稳腔TEA CO_2激光器光束质量研究》文中提出高能脉冲TEA CO_2激光器由于具有单脉冲能量高、峰值功率高、输出波长处于大气窗口、且其大口径光学元件易于加工等特点,已成为现阶段激光推进系统中的理想推进源之一。为保证激光能量的远距离有效传输,在不断提高TEA CO_2激光器单脉冲能量、维持一定重复频率的同时,不断缩小其光束发散角成为激光推进激光源研究的重点内容之一。本文先对光束质量评价参数进行了概述,针对强激光特点及推进系统中激光能量的远距离有效传输条件,确定了在同一桶功率下使用光束质量β因子描述TEA CO_2激光器的光束质量。在实验研究的过程中,首先采用漫反射CCD法测量了实验室TEA-30型激光器的平凹稳腔光束发散角,得出光束质量β因子很差,无法满足远距离激光能量传输要求。为进一步减小光束发散角,腔型改进为带有涡流管冷却的同轴非稳腔,该腔型既可对凸镜及窗口进行有效冷却,激光束又可同轴输出,整个腔型结构紧凑,运行方便且稳定。然后,采用长焦距分束方法测量了同轴非稳腔TEA CO_2激光器的光束发散角,该方法克服了漫反射方式中漫反射屏引起的光斑变形等缺点,同时长焦距可以大幅度提高测量精度。光束质量较之平凹稳定腔有了显着提高,同时其输出单脉冲能量只是略微有些下降;在凹镜水冷,凸镜及窗口进行涡流管冷却的情况下,激光器分别在不同频率下分别连续运行300s,其光束质量β因子稳定且良好,单脉冲能量稳定,远场聚焦光斑光强分布集中且稳定。
参考文献：
[1]. 相变制冷在激光腔镜中的应用研究[D]. 伍志坚. 大连海事大学. 2003
[2]. 高功率TEA CO_2激光器腔镜热稳定性研究[D]. 陈佳元. 华中科技大学. 2009
[3]. 硅基多孔不变形镜的研制[D]. 何崇文. 华中科技大学. 2015
[4]. 强激光辐照下K9玻璃反射镜热变形特性研究[D]. 聂山钧. 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所). 2014
[5]. 涡流管冷却同轴非稳腔TEA CO_2激光器光束质量研究[D]. 杨峰. 华中科技大学. 2007