强激光经大气热晕效应后辐照硅材料产生温度场数值模拟

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1、学号：S15010028硕士学位论文强激光经大气热晕效应后辐照硅材料产生温度场数值模拟研究生姓名：王超群学科、专业：物理学二○一八年6月分类号：TN241密级：可公开UDC：编号：强激光经大气热晕效应后辐照硅材料产生温度场数值模拟Numericalsimulationforthetemperaturefieldofhighpowerlaserheatingsiliconmaterialconsideringtheeffectsbyatmosphericthermalblooming学位授予单位及代码：长春理工大学

2、(10186)学科专业名称及代码：物理学(070200)研究方向：非线性物理及计算物理申请学位级别：硕士指导教师：陈桂波副教授研究生：王超群论文起止时间：2016.11—2018.3摘要激光与材料的相互作用主要是激光对材料的加热，使材料的状态和结构产生变化，主要表现为热扩散、热膨胀和热应力。在进行激光加工和热处理时，除了考虑材料本身，材料对激光能量的吸收特性变化外，还要考虑激光自身参数变化。强激光在大气中传输时会受线性效应和非线性效应两方面的影响。前者主要来自大气气体分子的吸收、散射和大气湍流效应等影响；后者最主

3、要来自大气热晕的影响。本文主要对强激光经大气热晕效应后作用到材料产生温度场数值模拟进行了研究。首先，基于标量波动方程、洛仑兹-洛伦茨方程以及动量守恒和能量守恒的流体力学方程，建立了稳态热晕下激光作用于大气的多参数物理模型，模拟得到传输距离和初始功率对激光功率密度的影响。其次，通过热晕效应的形成模拟得到强激光经大气热晕效应后产生畸变的激光光强分布，研究不同大气横风风速、不同激光经大气的传输距离以及不同激光的初始激光功率的情况下，大气热晕效应对激光光强分布的影响；最后，通过改变以上参数的数值，利用有限元分析法获得强激

4、光经热晕效应后辐照硅材料温度场分布特征的影响规律。结果表明，大气横风速度越小，热晕越强，导致温度分布的畸变越大；激光在大气中的传播距离越远，热晕越强，温度分布的畸变也越大；激光在大气中的传播初始功率越大，热晕效应越强，导致材料的温度畸变越大，初步揭示强激光经大气热晕效应后与硅材料的热作用机理。关键词：激光辐照大气热晕温度场数值模拟IABSTRACTTheinteractionbetweenlaserandmaterialismainlytheheatingofthematerialbylaser.Itchange

5、sthestateandstructureofmaterial,whichismainlycharacterizedbythermaldiffusion,thermalexpansionandthermalstress.Duringthelaserprocessingandheattreatment,weshouldn’tonlyconsiderthefeatureandtheabsorptioncharacteristicsforlaserpowerofthematerial,butalsothechangeo

6、ftheparametersoflasershouldbeconsidered.Lineareffectandnonlineareffectaretheonlytwofactorswhichwillinfluencehighpowerlaser’stransmissionintheatmosphere.Thelineareffectmainlyinfluencebytheabsorption,scatteringandatmosphericturbulenceeffectsofatmosphericgasmole

7、cules.Thenonlineareffectmainlydependsontheinfluenceofatmosphericheatblooming.Inthispaper,wemakeanumericalsimulationstudyofthetemperaturefieldaffectedbytheintenselaserconsideredwiththeatmosphericthermalbloomingeffect.First,basedonthescalarwaveequation,Lorentz-

8、Lorenzequation,andthehydrodynamicequationsofmomentumconservationandconservationofenergy,webuiltamultiparameterphysicalmodelofthelaserintheatmosphereundersteadythermalhalo.Then,wecansimula