Nd_YAGCW激光热传导焊__温度场三维解析计算

激光加热辅助切削中的关键技术与科学问题柏占伟【摘要】激光辅助切削技术以其独特的加工优势,已成为切削加工领域的前沿技术之一.首先介绍了激光辅助切削技术的工程背景,综述了激光加热软化、激光打孔、激光材料改性以及激光微区融化等代表性的激光辅助切削技术的材料去除原理,然后重点以激光加热软化法为重点分析对象,从技术(激光光源、切削加工工艺)和科学(传热学、力学)两个层面分别阐述了其研究现状及存在的难点.最后,指出了该技术今后在系统集成、切削过程仿真和刀具磨损机理等领域需要重点关注的问题.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)021【总页数】10页(P140-149)【关键词】激光辅助切削;热应力;温度场;切削力【作者】柏占伟【作者单位】重庆工程职业技术学院,重庆402260【正文语种】中文【中图分类】TG665矿冶工程随着材料科学的快速发展，越来越多的高性能、难加工材料不断问世。

这些材料高强度、高硬度、耐高温，在航空航天、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域有很大的潜在利用价值[1]。

但这些材料加工时效率低、费用高、表面质量差、精度难以保证[2]。

由于材料的强度一般会随温度的升高而降低[3](图1给出了部分难加工材料抗拉强度随温度变化的趋势)，故加热辅助切削是一种加工难加工材料的有效成型方法[4,5]。

现已用于航天宇航、兵器、车辆、化工、微电子及医疗工业等领域[6]。

目前常用的热源有等离子体[7—11]、氧乙炔焰[12—14]、感应电流[15]和激光[16—23]等，与其他热源相比，激光光斑尺寸小、能量密度高、能量分布和时间特性可控性好，具有重要的实用价值[24]。

基于上述原因，本文以激光辅助切削技术为对象，阐述其应用背景，综述了四类代表性的激光辅助切削技术，并从光学、切削加工工艺、传热学、力学等方面对研究较为广泛的激光加热软化法辅助切削技术进行详细的介绍，阐述了其研究现状，并指出了今后应该重点解决的关键问题。

第 29卷增刊1999年 11月东南大学学报 JOURNA L OF S OUTHE AST UNI VERSITY Vol 129Sup. Nov. 1999激光焊接传热过程的数值计算 3徐九华罗玉梅 (, 摘要 , 建立了运动 , 提出采用位置预置、液相交界面位置进行准确捕捉 , 并对这一小孔焊接 , 揭示了材料热物理性能、小孔直径、焊接速度等因素对焊接热过程的影响 .关键词传热 ; 温度场 ; 数值模拟 ; 激光焊接分类号 O551. 3;O241. 8Ξ国家自然科学基金资助项目 (59575069 .收稿日期 :1999-06-14. 第一作者 :男 ,1964年生 , 博士 , 副教授 .当功率密度超过 109W/m 2的激光束流照射到金属材料表面时 , 材料将瞬时汽化并在束流压力和蒸汽压力的共同作用下形成一个细长的柱形小孔 , 小孔中的汽化金属被电离并将射入的能量完全吸收 , 然后将热量传递给周围材料使其熔化 , 在小孔周围形成熔池 . 这种现象常出现在激光束焊过程中 . 这类焊接能获得极小的熔化区和热影响区并能净化焊缝 , 从而减少焊缝中存在的诸如内应力、裂纹、气孔等缺陷 . 因此 , 激光焊接在高精度、高质量焊接领域中引起了人们的广泛关注 .大量的实验研究表明 , 在激光焊接中 , 所形成的小孔深度大于其直径一个数量级 , 并且熔化金属液主要沿小孔周向流动 . 因此 , 在早期的理论研究中 , 这类问题被模化为具有移动热源的二维导热问题 , 仅考虑了热扩散作用 [1, 2]; 随后相变和流动效应被引入到一系列研究之中 [3~5]. 本文是在已有的研究基础上 , 借助于曲线坐标系 , 运用有限控制容积积分法对激光小孔焊接热过程进行数值计算 , 并对这一热过程进行全面的参数化分析 , 深入剖析了材料热物理性能、焊接主要过程参数对焊接热过程的综合影响 , 揭示了以往研究中未曾涉及到的激光小孔焊接模式的一些新特征 .1数学模型的建立图 1给出了激光小孔焊接过程的物理模型 , 采用随热源移动的运动坐标系 . 考虑到对称性 , 仅取一半区域进行计算 . 为使问题简化 , 特作如下假设 :1 高能束流以恒速 (u w 移动 , 在运动坐标系下 , 传热过程视为稳态 ;2 小孔的形状可视为圆形 (半径为 r a , 小孔表面的温度为材料沸点温度 ;3 熔化金属为牛顿型流体 , 不可压缩 ; 固相区域和液相区域物性均匀 , 各向同性 , 且热物1性为温度的函数 ;4 在计及焊件与周围环境换热损失中 , 忽略辐射换热损失 , 仅考虑自然对流情况 , 且假定对流换热系数为常量 .采用随热源移动的运动坐标系 , 可将传热过程视为稳态 . 图中 r a 为小孔半径 , r m 为固液交界面半径, δL S分别表示固相层和液相层厚度 . 可模化为运动坐标系下的稳态、 , 用控制方程如下 :(v < Γ+y Γ+S (x , y (1 式中 , u y ; 和 S (x , y 为变量 <所对应的扩散系数和源项 . 对于固相区 , T S , u =u w , v =0, 式 (1 转化为扩散型导热方程 .相应的边界条件为y =0: y =0, v =0; y =0, y =0(2 r =r a : u r =0, r u r=0, T =T b (T b 为材料沸点温度 (3 r → r ∞ : T ∞ =T a (T a 为环境温度(4 r =r m : u =u w ; v =0; T L =T S =T m (T m 为材料熔点温度(5 在固、液交界面上 , 还存在一反映局部能量平衡的关系式 :-λs n =-λL n+ρu w h sl cos θn (6 式中 , h sl 为材料熔化潜热; θn 为 x 轴正向和固液交界面法线之间的夹角 .2计算过程由于焊接熔池中固、液相交界面位置的不确定性 , 计算过程分为两部分 :首先是在假定的相界面位置上 , 对固、液两相区域内的变量各自进行独立求解 ; 其次是确定满足包括界面能量平衡式在内的所有控制方程和边界条件的固、液相界面位置 .2. 1坐标变换考虑到计算域的不规则性 , 采用坐标变换法将计算过程转化到规则的计算平面上进行 . 引入曲线坐标系x =x (ζ, η, y =y (ζ, η , 通用控制方程式 (1 可以变换为 J(ρU < +J (ρV < =J +J J -J J +J +S (ζ, η (7 式中, U =uy η-vx η; V =vx ζ-uy ζ; α=x 2η+y 2η; β=x ζx η+y ζy η; γ=x 2ζ+y 2ζ;J =x ζy η-y ζx η.网格生成采用代数法 . 取r ∞ =Cr m , C 为定值 , 其取值范围为 200~500. 坐标变换采用如36增刊徐九华等 :激光焊接传热过程的数值计算下的变换关系式 :r =r a +δL ζ0≤ ζ≤ 1r a +δL +δS (ζ-1 1≤ ζ≤ 2(8θ=0≤ η≤ π式中, δL 和δS 分别表示固相层和液相层厚度 .2. 2固、液交界面位置捕捉固、液界面位置捕捉采用位置预置在曲线坐标系下 , =-(9 、能量守恒条件 , 有^=^F S , ^E L =^E S (10 其中 , 上标“ ^” 表示交界面的参数 , h 为热焓 .对于任一假定的固、液交界面位置 , 式 (10 一般难以满足 , 故需对固、液交界面位置进行修正 . 记固、液交界面位置修正系数为ωm , 则有 r N m =r m (1+ωm , r N ∞ =r ∞ (1+ω∞ , ω∞ =ωm .上标“ N ” 表示对应于修正后的变量 .将上述表达式代入式 (10 并对固、液交界面的有限控制体进行积分 , 经推导可得到位置修正式如下 :ωm =^E -^E P m , P m =r δL (^E -^F ^h L [6](11在计算中 , 为保证ωm 的绝对值小于 1, 提高计算稳定性 , 对式 (11 加以改造 ,令P m =|^E L |+|^E S |固、液交界面位置修正 , 应能满足:|ωm |≤ 0. 001.3计算结果与分析利用本文所建立的模型分别对不锈钢 (AISI304 (算例 1 和铝基复合材料(20%SiCp +Al6061 (算例 2 的激光小孔焊接热过程进行数值计算 . 对于不锈钢 , 密度ρ=7200kg/m 3, 熔点 T m =1427℃ , 沸点 T b =2807℃ , 粘度μ=6142×10-3kg/(m ・s , 潜热 h sl =26512kJ/kg . 对于铝基复合材料 , 密度ρ=2858kg/m 3, 熔点 T m =627℃ , 沸点 T b=2457℃ , 熔化潜热 h sl =395kJ/kg , 分子粘度μ=110×10-3kg/(m ・ s . 2个算例的导热系数和比热都是温度的函数 , 在每一个计算步骤上都要根据当时的温度分布重新确定其取值 . 这些参数随温度变化的函数关系及其它计算参数取值见文献 [6].图 2和图 3为在不同焊接速度下计算出的不锈钢板小孔焊接的温度分布 . 显然 , 对于本算例 , 温度分布的等值线具有椭圆形特征 , 并且在热源前端的等温线要比后端的密集 , 这与具有移动热源导热的理论分析是一致的 . 图示结果还表明 :随着焊接速度的提高 , 熔池形状和焊接温度场的等温线的椭圆形特征越显著 .图 4和图 5为本文模型对算例 2的计算结果 (铝基复合材料 , r a =0105mm , u w =21046东南大学学报第 29卷21(u w =0. 5mm/s图 3算例 1的焊接温度场 (u w =2. 5mm/smm/s . 图 4为理论计算所得到的焊接熔池表面形状 . 图 5为理论计算所得到的焊接温度场 . 图 4中熔池宽度的理论计算值约为 0155mm , 与实验值 0153mm 十分接近 , 如图 6所示 .图 4和图 5表明 :在本算例所给定的材料物性和焊接工艺参数下 , 所获得的熔池和等温线形状不同于算例 1, 它们的椭圆形特征并不明显 , 而更接近于圆形 .图 4本文模型对算例 2计算出的熔池边界由上述算例可以得出 :焊接熔池的几何形状和接温度场分布特征是受材料热物理性能、主要焊接过程参数 (在本文中主要分析了焊接速度和小孔直径两个参数综合作用的 . 对于同样的焊接材料 , 焊接熔池和热影响区的大小将随着小孔直径的减小而减小 , 随焊接速度的增大而减小 . 对不同的焊接材料 , 它们的热扩散率不同 , 扩散传热的能力也不同 , 所获得的焊接熔池的形状也不同 . 因此 , 可以考虑引入一个能全面反映焊接速度、小孔直径、材料热扩散率三者对焊接热过程的综合作用的无量纲化参数 Pe 数作为一个基本变量 , 并定义 Pe =u r a L, a L 为材料热扩散率 (m 2/s . 对于算例 1, Pe =015237(当 u w =115mm/s , r a =2mm 时 , 而对于算例 2, Pe =010025(当 u w=210mm/s , r a =0105mm . 对照 2个算例所获得的熔池和等温线形状 , 可以说明当 P e 数越大 , 熔池和等温线越接近于椭圆形并更为扁平 ; P e 数越小 , 熔池和等温线的椭圆形特征越不明显 , 更接近于圆形 . 关于这一现象 , 可以由 Pe 数的定义来解释 :其分母是材料的热扩56增刊徐九华等 :激光焊接传热过程的数值计算2计算出的焊接温度场图 6焊接速度对熔池宽度的影响散率 a ; 其分子是焊接速度和, . 分子越大 ,这种流动的能力越强 , 对流传热所占的比例越大 , 熔池和等温线的流线形特征越明显 , 此为大 Pe 数的情形 . 相反地 , 分母越大 , 焊接熔池中液态金属的扩散传热的能量就越强 , 导热所占的比例就大 , 对流则不太明显 , 故熔池和等温线接近于圆形 , 此为小 Pe 数的情况 . 当 Pe 数降至 0, 则对应于固定热源作用下的焊接热过程 , 此时 , 熔池应呈标准的圆形 .4结论1 建立了运动热源作用下二维激光小孔焊接熔池中流体流动及传热过程的数值分析模型 , 并在曲线坐标系下 , 采用位置预置—修正的方法成功地实现了焊接熔池界面位置的精确捕捉 .2 利用本文所建立的数值分析模型对两种不同材料、不同焊接过程参数的焊接热过程进行了数值计算 . 计算结果表明 , 本文的计算方法是合理可行的 .3 对激光小孔焊接热过程进行了较为全面的参数化分析 , 探讨了焊接材料热物理性能、主要焊接过程参数等对焊接熔池形状、焊接温度分布趋势的综合影响 . 并提出了一个可以综合反映各参数之间关系的无量纲参数 P e 数 .参考文献1 S wift 2H ook D T. Penetration welding with lasers. Welding Journal , 1973,52:492~4992 Mazumder J , S teen W M. Heat trans fer m odel for CW laser material processing. Journal of Applied Physics , 1980, 51:941~9473 Davis M , K apadia P , D owden. M odelling the fluid flow in laser beam welding. Welding Journal (Research Supple 2ment , 1986, 167~1744 Hsu Y F , Rubinsky B. T w o 2dimensional heat trans fer study on the keyhole plasma arc welding process. Int Journal of Heat and Mass T rans fer , 1988,31:1409~142166东南大学学报第 29卷增刊徐九华等 : 激光焊接传热过程的数值计算 67 tion is employed to accurately identify the solid2liquid interface location during laser welding. A paramet2 ric analysis of the existing keyhole model is performed , and the influence of parameters such as material cess. Key words : heat transfer ;temperature distribution ;numerical simulation ;taser welding properties , welding speed , keyhole radius on the heat transfer is analyzed during keyhole welding pro2 5 Charn2Jung K im. Parametric study oftwo2dimensional keyhole model for high power density welding processes. Journal of Heat Transfer , 1994 , 116 :209～214 6罗玉梅 . 激光焊接传热过程数值研究 : [ 学位论文 ] . 南京 : 南京航空航天大学图书馆 ,1999 Numerical Simulation and Parametric Study for the Heat Transfer in Keyhole High Power Density Welding Process Xu Jiuhua Luo Yumei Zhang Jingzhou (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , Nanjing 210016 the heat transfer in keyhole laser welding processes. A recently developed method of the position2correc2 Abstract : two2dimensional ,quasi2stationary numerical model is presented to study the fluid flow and A。

端面抽运Nd∶YAG圆棒热容激光晶体热分析史彭;白冰;李隆;张琳丽;辛宇【摘要】为了准确研究LD端面抽运圆棒热容激光晶体Nd∶ YAG时产生的热效应,采用以半解析热分析理论为基础、结合弹性力学理论的研究方法,得出了圆棒热容激光晶体抽运阶段和冷却阶段的温度场、热应力场和端面形变量半解析计算方法.结果表明,当抽运总功率为200W,4阶超高斯LD对Nd∶ YAG抽运2s时,Nd∶ YAG圆棒热容激光晶体的端面最大应力为52.9MPa,低于晶体断裂阈值下线的50％；此时激光晶体端面形变为3.05μm.所得结果为优化热容激光器提供了理论支持.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2013(037)003【总页数】5页(P321-325)【关键词】激光物理;热容;温度场;热应力;形变【作者】史彭;白冰;李隆;张琳丽;辛宇【作者单位】西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055【正文语种】中文【中图分类】TN248.1热容固体激光器（solid-state heat capacity laser，SSHCL）早在20世纪70年代开始研制，以其输出功率大、光束质量好等特点一直延续发展至今，逐步在工业、军事和医疗等各个领域中得到广泛的应用。

但是由于抽运光分布不均匀性和激光晶体对抽运光吸收不均匀性，都会在激光晶体内部产生非均匀温度场、热应力场和热形变场，从而影响SSHCL输出光束的质量［1-2］。

随着激光技术的发展和应用的需要，SSHCL输出功率已经达到数千瓦、数万瓦，SSHCL热效应的影响越来越明显。

定量研究分析SSHCL热效应是提高SSHCL品质的重要基础工作之一。

SSHCL热效应和全固态激光器的稳态热效应明显不同［3-4］，LD抽运SSHCL时在激光晶体内部产生的温度场是随时间变化的［1-2］。

复合Nd∶YAG晶体大功率1064 nm固体激光器研究郝旺;李祎;高兰兰【摘要】报道了采用Comsol多物理场仿真软件模拟计算三种结构Nd∶YAG晶体的温度场分布,并通过实验,对比分析复合晶体与均匀掺杂Nd∶YAG晶体的输出功率和转化效率.模拟结果表明,当泵浦功率为18W时,尺寸为3 mm×3 mm×10 mm、3 mm×3 mm×16 mm、3 mm×3 mm×20 mm的三种晶体的最高温度分别为97.12℃、89.08℃和88.01℃,复合晶体在降低晶体工作温度,减小热效应方面优势明显.采用相同的工作条件,当泵浦功率为18 W时,均匀掺杂Nd∶YAG晶体1064 nm激光最大输出功率为6W,16 mm长的复合晶体的输出功率为9.3W,且未出现饱和现象,光斑质量优于均匀掺杂晶体情况.理论和实验结果表明,复合晶体在降低热效应,提高光斑质量方面具有更高的实用性.%The temperature field distributions of three Nd ∶ YAG cr ystal structures were calculated by using the Comsol multiphysical field simulation software,and the output power and conversion efficiency of the composite crystal and the uniform doped Nd ∶ YAG crystal were compared through the experiments.The simulation results show that the maximum temperatures of three crystals whose size are 3 mm ×3 mm × 10 mm、3 mm ×3 mm × 16 mm and 3 mm ×3 mm × 20 mm are 97.12 ℃,89.08 ℃ and 88.01 ℃ respectively when pumping power is 18 W.The composite crystal has an obvious advantage in reducing the temperature of the crystal and reducing the thermal effect.When pumping power is 18 W,the maximum output power of uniform dopedNd ∶ YAG crystals is 6 W,while the output power at 1064 nm with the 16 mm composite crystal is 9.3 W.Meanwhile,there is no saturationphenomenon for the composite crystal,and the beam quality is better than that of the uniform doped crystal.The theoretical and experimental results show that the composite crystal has a higher practicability in reducing the thermal effect.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2018(048)001【总页数】5页(P47-51)【关键词】Nd∶YAG;热透镜;复合晶体【作者】郝旺;李祎;高兰兰【作者单位】长春理工大学,吉林长春130022;长春理工大学,吉林长春130022;长春理工大学,吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】TN248.11 引言在固体激光器激光晶体的工作过程中,由于量子亏损、下激光能级与基态之间能差转化为热量、激光猝灭等原因会产生大量的热量,进而导致激光晶体内部温度分布不均匀,产生热透镜、端面热变形等效应。

基于计算机三维模型的激光-电弧复合焊接过程中热现象分析胡治宇;利莉【摘要】对激光-电弧复合焊接过程中的热现象建立了计算机数学模型,并进行相应分析,该模型可有效评估熔池的温度场和熔融金属的速度场.计算模型综合考虑了电孤热源和激光热源、熔化潜热和蒸发潜热以及熔融金属从多孔介质中的流动潜热等因素.实验验证,计算机模型对激光-电弧复合焊接的模拟结果与实验结果相吻合.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2015(045)010【总页数】7页(P164-170)【关键词】激光-电弧复合焊接;热现象;计算机模拟;温度场【作者】胡治宇;利莉【作者单位】景德镇学院,江西景德镇333000;景德镇学院,江西景德镇333000【正文语种】中文【中图分类】TG402激光-电弧复合焊接是一种现代连接技术，激光束和电弧相组合有助于提高焊缝质量和焊接速度，在工业生产领域应用广泛[1]。

焊接过程中熔池温度场和熔融金属速度场对焊缝质量有重要影响，复合焊接的温度场取决于电弧和激光束两个耦合热源产生的热量。

以往研究表明[2]，双椭球热源模型（CIN）适用于电弧热源，Goldak热源模型适用于激光束热源。

为了了解激光-电弧复合焊接过程中的热现象，本研究构建了激光-电弧复合焊接过程中温度场的三维模型，并对焊接熔池温度场和速度场进行相关分析。

研究工艺参数对焊缝形状和大小以及熔融金属运动的影响，并进行了实验验证，研究中涉及到的参数定义如表1所示。

激光-电弧复合焊接示意如图1所示。

在熔融区液态金属流动由浮力驱动，在糊状区液态金属的运动假定为多孔介质中的流动。

同时在熔融区还要考虑蒸发潜热的影响，在糊状区要考虑固液相变潜热的影响。

2.1 方程建立用于激光-电弧复合焊接热现象分析的方程主要包括质量方程、动量方程和能量守恒方程。

连续性方程为根据多孔介质中流体流通的Boussinesq模型[3]和对流运动的Darcy模型[4]，可以得到熔池熔融金属的速度场。

第27卷第9期2006年9月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTI TUTIONVol.27 No.9Septe mber 2006收稿日期:2005-10-31Nd:YAG 激光+脉冲GMAW 复合热源焊接参数对焊缝熔宽的影响秦国梁1,2, 李小宇1, 王旭友1, 林尚扬1(1 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所,哈尔滨 150080;2 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨 150001)摘 要:通过试验研究了Nd:YAG 激光+脉冲GMAW 复合热源焊接过程中焊接工艺参数对焊缝熔宽的影响。

结果表明,复合热源焊缝熔宽随电弧功率和激光功率的增大而增大,随焊接速度的提高而减小,而光丝间距和离焦量对复合热源焊缝熔宽影响相对较小。

复合热源焊缝熔宽远大于激光焊缝熔宽而仅稍大于脉冲GMAW 焊缝熔宽,说明在复合热源焊接过程中脉冲GMAW 决定焊缝熔宽,这主要是由于激光束加热区域远小于电弧加热区域造成的。

试验结果的分析比较还表明,在激光+电弧复合热源焊接过程中激光功率的增大还极大地提高了焊接速度。

关键词:复合热源焊接;激光焊;脉冲熔化极气体保护焊;焊缝熔宽;焊接参数中图分类号:TG456.7 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2006)09-073-04秦国梁0 序 言激光焊接和GMAW(熔化极气体保护焊)是两种截然不同的焊接工艺。

作为一种高能束焊接方法,激光焊接以高能密度、高速、高效、高精度等良好的材料加工性能在工业中得到了较多应用。

但由于激光束焦点直径很小(一般为0.2~0.6m m),激光加热区域也很小,焊缝桥联能力差,对工件的装配具有很高的要求[1],因而在实际生产中的应用受到了较多的限制。

而GMAW 采用焊丝作电极,能够提供适量熔化金属在接头间隙中搭桥或填充坡口,使焊缝具有很强的搭桥能力,增强了对装配误差变化的适应性,降低了焊接过程中对工件装配误差的要求,具有应用范围广、投资小、成本低等优点。

3种吸收率模型的金属激光加热数值研究比较陈彦北;陆建;倪晓武;徐立君;张喜和【摘要】为了比较单一常数吸收率模型、固态和液态吸收率分别为常数的组合吸收率模型以及温度相关吸收率模型对于数值结果的影响,分别采用这3种吸收率模型建立了空间轴对称有限元计算模型,模拟了激光加热铝板的过程,对比了不同吸收率模型下的计算结果,讨论了这几种吸收率模型的优劣和适用范围.结果表明,对于固态和液态均明显存在的加热过程,固态和液态阶段分别为不同常数的组合吸收率模型能得到与使用吸收率温度相关模型很相似的结果,而使用单一的常数吸收率模型与之相比则差别较大;对于加热区域为单一物态的加热过程,使用单一常数吸收率模型与使用吸收率温度相关模型的计算结果有一定的差别,但差别不大.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2009(033)006【总页数】4页(P622-625)【关键词】激光技术;激光加热;吸收率;有限元;金属【作者】陈彦北;陆建;倪晓武;徐立君;张喜和【作者单位】南京理工大学,理学院,南京,210094;南京理工大学,理学院,南京,210094;南京理工大学,理学院,南京,210094;长春理工大学,理学院,长春,130022;长春理工大学,理学院,长春,130022【正文语种】中文【中图分类】O532+.25引言在金属材料激光加热的研究中，数值计算是一种重要的理论分析手段[1-2] 。

而在进行数值分析时，金属对激光的吸收率大小将决定激光能量的沉积速率，会对计算结果有较大的影响，因此是一个非常重要的计算参量。

影响吸收率的因素非常多，除了激光波长具有显著的影响外，与被作用金属材料的温度、入射角度、表面情况(粗糙度、氧化情况和有无涂层等)、表面物态(熔化和汽化)及金属成分等因素均有着密切的关系[3]，甚至对于同一试样进行重复加热时各次的吸收率也有较大差别[4]，因而，不同文献中给出的试验结果也往往有比较大的差别。

目前确定材料吸收率主要有3类方法：第1类是测量反射率，一般装置复杂精密且有局限性；第2类是通过测量热作用区域的几何尺寸进行间接评定，仅适合于定性评价；第3类是从量热角度，通过测量材料的温度变化并进行相应的传热学计算而得到吸收率。

文章编号：2095-6835（2023）22-0126-05LD侧面泵浦Nd：YAG激光器介质的瞬态热效应杜丹，夏腾（长春中国光学科学技术馆，吉林长春130117）摘要：基于热传导理论建立了LD脉冲单向侧面泵浦棒状Nd：YAG晶体的瞬态温度场分析模型，利用有限元软件模拟了LD单脉冲泵浦和重复脉冲泵浦过程中晶体的瞬态温度场，考察并分析了温度场分布规律及其影响因素。

研究结果表明，单脉冲泵浦过程中的升温阶段，随着泵浦光功率、冷却水温度、吸收系数的增大，晶体中心的温升逐渐增加，而随着对流换热系数的增加，温升逐渐下降；在降温阶段，随着晶体半径和冷却水温度的增大，降温速率下降，而随着对流换热系数的增加，降温速率也增加；对重复脉冲泵浦过程中，占空比越大，引起棒的温升幅值越大、温升的周期性改变程度有所下降。

该研究结果对LD侧面泵浦激光工作物质的热效应研究具有指导意义。

关键词：LD侧面泵浦；瞬态热效应；Nd：YAG；有限元软件中图分类号：TN248文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.22.035短脉冲、长周期泵浦的脉冲激光器，常常会出现热效应的瞬态过程[1]。

当单脉冲泵浦时，晶体的热效应会随时间变化而改变；在周期脉冲泵浦光作用中，激光晶体的热耗也会随之发生周期性变化，最终导致晶体内空间位置的温度跟着发生改变，而且对激光谐振腔也有一定的影响。

在泵浦光脉冲出现的过程中，振荡光受到谐振腔的影响，并且晶体的热效应直接影响着激光谐振腔的构造，从而热效应随着时间变化的这一特性，影响着振荡光的特性。

所以对脉冲泵浦激光晶体内的瞬态温度场研究具有重要意义。

本文分别对单脉冲和重复脉冲过程的单侧泵浦激光介质内的温度分布随时间的变化情况进行了分析，结果可以为研究多侧泵浦激光介质内的温度提供参考。

1物理模型LD阵列单向侧面泵浦棒状Nd：YAG激光器的截面图如图1所示。

图1LD单向侧面泵浦棒状Nd：YAG激光器的截面图考虑晶体对泵浦光的吸收，晶体内单个LD阵列泵浦光场表示为[2]：⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=dyIyxIαωω222expπ2），（式中：I0为沿着激光激光介质轴线z方向单位长度上的泵浦功率的数值；ω为晶体内泵浦光束半径的平均值；α为晶体对泵浦光的吸收系数；d为泵浦光在晶体内传播距离的数值。

LD端面抽运变导热系数Nd：YAG晶体热效应李隆;甘安生;齐兵;支音;王良甚;史彭【摘要】In order to calculate temperature field and thermal distortion field of laser diode end-pumped Nd:YAG crystal, the temperature thermal model of the crystal was built under the condition of thermal isolation of the end face and constant peripheral temperature. Based on the function of temperature of the Nd-YAG crystal depending upon the thermal conductivity and thermal distortion coefficient, after the thermal model of heat conduction equations were solved by means of the Newton tangent method, the general equations of the temperature field and thermal distortion field of the end-pumped rectangular cross section Nd-YAG crystal with variable thermal conductivity and thermal distortion coefficient were obtained. Then the internal temperature field distribution and thermal distortion field were calculated under different of pump power and pump spot size. Results show that under the condition of 0. 01 Nd ion mass fraction, 60W pump power and 450μm pump spot radius, the maximum temperature rise on the end face of the Nd:YAG crystal in 3mm × 3mm x 8mm was 55. 7℃ , and the maximum thermal distortion was 2. 85μm. However, traditionally the thermal conductivity and thermal distortion coefficient were taken as constant, the maximum temperature rise on the end face of the Nd-YAG crystal was 43. 4℃ and the maximum thermal distortion was 2. 84μm.%为了计算二极管抽运Nd∶ YAG晶体温度场及热形变场,建立了端面绝热、周边恒温的晶体热模型.基于Nd∶ YAG晶体导热系数及热形变系数与其温度的函数关系,应用Newton切线法对热传导方程进行求解,得到了变导热系数和变热形变系数矩形截面Nd∶YAG晶体端面抽运下的温度场和热形变场的一般表达式,同时计算了Nd∶ YAG晶体在不同抽运功率和抽运光斑半径下内部温度场和热形变场的分布变化.结果表明,使用钕离子质量分数为0.01、尺寸为3mm×3mm×8mm的Nd∶ YAG晶体,在功率为60W、光斑半径为450μm 的抽运光照射下,变导热系数的Nd∶ YAG晶体端面最大温升为55.7℃,最大热形变量为2.85μm,而按传统将Nd∶ YAG晶体导热系数、热形变系数均视为定值时,晶体端面最大温升为43.4℃,端面最大热形变为2.84μm.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】5页(P612-616)【关键词】激光器;热效应;固体激光器;Nd:YAG晶体;导热系数【作者】李隆;甘安生;齐兵;支音;王良甚;史彭【作者单位】西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学应用物理研究所,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学应用物理研究所,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学应用物理研究所,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学应用物理研究所,西安710055【正文语种】中文【中图分类】TN248.1引言Nd∶YAG晶体量子效率高、受激辐射截面大，其结构利于产生高增益、低阈值的激光，成为目前应用于激光二极管抽运全固态激光器(diode pump solid-state laser，DPSSL)较为广泛的晶体之一[1]。

LD 侧面泵浦Nd ：YAG 激光器的研究摘要介绍了YAG 晶体的性质以及与其他类似晶体的比较，介绍了固体激光器泵浦的两种方式:端面泵浦和侧面泵浦，并主要分析了侧面泵浦的优点。

设计和分析了一种侧面泵浦结构的固体激光器，通过选取合适激光晶体（Nd ：YAG 晶体），进行侧面泵浦。

在泵浦光反向冷却套侧壁镀高反射金膜，使激光棒侧向均匀泵浦，实现低阶膜输出。

对激光二极管侧面泵浦Nd ∶YAG 激光器的热效应进行了分析，通过热传导方程的推导和分析，得出YAG 晶体内的温度分布情况，以及对各种可能的结果进行了数值模拟和分析，得到了一些影响YAG 晶体内的温度分布的因素。

关键词：固体激光器；LD 侧面泵浦；Nd ：YAG 晶体；热效应The Study on LD Side-pumped Nd ：YAG LaserAbstractDescribed the nature of the YAG crystal and other similar comparison of crystal, introduced a solid-state laser pumped in two ways: end-pumped and side-pumped. And the main analysis of the advantages is on side-pumped. Design and analyse a side-pumped solid-state laser. By choosing a suitable laser crystal (Nd: YAG crystal, For side-pumped. In the reverse cooling pump sets highly reflective gold-plated wall membrane, So that the lateral uniformity of the laser rod pumped to achieve low film output. Of the laser diode side-pumped Nd: YAG laser thermal effects are analyzed. Heat conduction equation through the derivation and analysis within the YAG crystal temperature distribution, As well as the range of possible outcomes of a numerical simulation and analysis, have been some impact on the temperature inside the YAG crystal is a factor.Key words：solid state laser ; LD side-pump; Nd：YAG crystal ；Thermal effect目录摘要 0ABSTRACT (1)1 绪论 (3)2 激光器 (4)2.1 激光器简介 (4)2.1.1 什么是激光器 (4)2.1.2 激光器工作原理 (4)2.1.3 激光工作物质 (4)2.1.4 激励(泵浦系统 (5)2.1.5 光学共振腔 (5)2．2 固体激光器 (5)2.2.1 什么是固体激光器 (5)2.2.2 Nd:YAG晶体 (6)2.2.3 ND：YAG 激光器 (7)2.3 LD 泵浦固体激光器 . (7)2.3.1 LD泵浦固体激光器的优点 (7)2.3.2 侧面泵浦 (8)2.3.3 LD泵浦固体激光器的发展状况 (9)3 LD侧面泵浦ND ：YAG 激光器 (10)3.1 LD 侧面泵浦N D :YAG激光器的设计与分析 . (10)3.1.1 阵列管泵浦源结构分析 (10)3.1.2 激光晶体棒选取 (10)3.1.3 聚光结构设计 (12)3.2 模拟分析与推导 (12)3.2.1 泵浦高斯光强修正 (12)3.2.2 热传导方程与温度场 (13)3.2.3 激光棒内的温度分布 (13)3.2.4 激光棒内的热应力和热应力双折射 (14)3.3 讨论 (17)4 总结 (18)致谢 . (18)参考文献 (19)1 绪论世界上第一个激光器的成功演示距今已经40多年了。

第20卷第4期强激光与粒子束Vol.20,No.4 2008年4月H IGH POWER LASER AND PART ICLE BEAMS A pr.,2008文章编号:1001-4322(2008)04-0557-06Nd:YAG方形薄片激光器3维温度及热应力的数值模拟*李刚1,冯国英1,李玮1,杨火木1,黄宇1,周寿桓1,2(1.四川大学电子信息学院,成都610064;2.华北光电技术研究所,北京100015)摘要:在有限差分迭代方法的基础上,利用M A T L AB程序模拟计算了在超高斯泵浦光连续作用下N d:YA G薄片激光器中方形薄片介质的3维瞬态和稳态温度分布。

根据热平衡微分方程和热弹性体边界条件,由3维温度分布数值模拟了介质的3维位移和热应力。

有限差分迭代方法避免了常规的有限元法需要求解超大稀疏矩阵而导致的占用系统的内存数增加和计算速度等问题。

模拟计算得到的介质温度分布和应力分布与实验结果相符合。

关键词:薄片激光器;热传导;热应力;有限差分迭代法中图分类号:T N248.1文献标识码:A在固体激光器系统中,泵浦光的能量部分转变成热能沉积在激光介质内部,同时激光介质在一定边界条件下被冷却,这使得介质的内部形成非均匀的温度场分布,由于物质热胀冷缩的性质,非均匀的温度分布使得激光介质内部出现非均匀的应变分布从而产生热应力分布。

在非均匀的温度分布和热应力作用之下使得激光介质的折射率发生变化,从而产生一系列的热效应的问题,如热致非球面厚透镜效应[1]、热致应力双折射效应[2]等。

为了适应高重复频率的激光输出,激光介质外形必须有利于快速散热。

德国斯图加特大学的Adolf Gies-en博士及其研究小组发明了薄片式激光器[3-4],其中的激光介质的厚度相对它的另外两维尺度来说很小,介质中的热量主要是从一个大面上被导走,并且热流的距离非常短,即使用大的泵浦能量也不会在薄片上产生大的温度梯度,这样就大大降低了热效应。