強激光經(jīng)大氣熱暈效應(yīng)后輻照硅材料產(chǎn)生溫度場數(shù)值模擬

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1、學(xué)號：S15010028碩士學(xué)位論文強激光經(jīng)大氣熱暈效應(yīng)后輻照硅材料產(chǎn)生溫度場數(shù)值模擬研究生姓名：王超群學(xué)科、專業(yè)：物理學(xué)二○一八年6月分類號：TN241密級：可公開UDC：編號：強激光經(jīng)大氣熱暈效應(yīng)后輻照硅材料產(chǎn)生溫度場數(shù)值模擬Numericalsimulationforthetemperaturefieldofhighpowerlaserheatingsiliconmaterialconsideringtheeffectsbyatmosphericthermalblooming學(xué)位授予單位及代碼：長春理工大學(xué)

2、(10186)學(xué)科專業(yè)名稱及代碼：物理學(xué)(070200)研究方向：非線性物理及計算物理申請學(xué)位級別：碩士指導(dǎo)教師：陳桂波副教授研究生：王超群論文起止時間：2016.11—2018.3摘要激光與材料的相互作用主要是激光對材料的加熱，使材料的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，主要表現(xiàn)為熱擴散、熱膨脹和熱應(yīng)力。在進行激光加工和熱處理時，除了考慮材料本身，材料對激光能量的吸收特性變化外，還要考慮激光自身參數(shù)變化。強激光在大氣中傳輸時會受線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)兩方面的影響。前者主要來自大氣氣體分子的吸收、散射和大氣湍流效應(yīng)等影響；后者最主

3、要來自大氣熱暈的影響。本文主要對強激光經(jīng)大氣熱暈效應(yīng)后作用到材料產(chǎn)生溫度場數(shù)值模擬進行了研究。首先，基于標(biāo)量波動方程、洛侖茲-洛倫茨方程以及動量守恒和能量守恒的流體力學(xué)方程，建立了穩(wěn)態(tài)熱暈下激光作用于大氣的多參數(shù)物理模型，模擬得到傳輸距離和初始功率對激光功率密度的影響。其次，通過熱暈效應(yīng)的形成模擬得到強激光經(jīng)大氣熱暈效應(yīng)后產(chǎn)生畸變的激光光強分布，研究不同大氣橫風(fēng)風(fēng)速、不同激光經(jīng)大氣的傳輸距離以及不同激光的初始激光功率的情況下，大氣熱暈效應(yīng)對激光光強分布的影響；最后，通過改變以上參數(shù)的數(shù)值，利用有限元分析法獲得強激

4、光經(jīng)熱暈效應(yīng)后輻照硅材料溫度場分布特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明，大氣橫風(fēng)速度越小，熱暈越強，導(dǎo)致溫度分布的畸變越大；激光在大氣中的傳播距離越遠(yuǎn)，熱暈越強，溫度分布的畸變也越大；激光在大氣中的傳播初始功率越大，熱暈效應(yīng)越強，導(dǎo)致材料的溫度畸變越大，初步揭示強激光經(jīng)大氣熱暈效應(yīng)后與硅材料的熱作用機理。關(guān)鍵詞：激光輻照大氣熱暈溫度場數(shù)值模擬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