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大功率CO2激光器输出窗口热性能分析

张阔,  陈飞,  李若斓,  杨贵龙

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张阔, 陈飞, 李若斓, 杨贵龙. 大功率CO2激光器输出窗口热性能分析[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(2): 205005-0205005(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0205005
引用本文: 张阔, 陈飞, 李若斓, 杨贵龙. 大功率CO2激光器输出窗口热性能分析[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(2): 205005-0205005(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0205005
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Zhang Kuo, Chen Fei, Li Ruolan, Yang Guilong. Analysis on thermal performance of output window in high power CO2 laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(2): 205005-0205005(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0205005
Citation: Zhang Kuo, Chen Fei, Li Ruolan, Yang Guilong. Analysis on thermal performance of output window in high power CO2 laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(2): 205005-0205005(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0205005
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大功率CO2激光器输出窗口热性能分析

doi: 10.3788/IRLA201645.0205005
  • 1.

    中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光电对抗技术创新研究室,吉林 长春 130033;

  • 2.

    激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林 长春 130033;

  • 3.

    内蒙古化工职业学院 机电系,内蒙古 呼和浩特 010070

基金项目: 

激光与物质相互作用国家重点实验室自主研究课题（SKLLIM1413）

详细信息
    作者简介:

    张阔(1984-),男,助理研究员,博士,主要从事高功率激光器方面的研究。Email:zhangkuo1104@163.com

  • 中图分类号: TN248.2

Analysis on thermal performance of output window in high power CO2 laser

  • 1.

    Innovation Laboratory of Electro-Optical Countermeasures Technology,Changchun Institute of Optic,Fine Mechanic and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;

  • 2.

    State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Changchun 130033,China;

  • 3.

    Mechanical and Electrical Department,Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering,Huhhot 010070,China

  • 摘要: 为了研究大功率CO2激光发射过程中输出窗口吸收激光能量产生热性能变化的问题，建立了输出窗口传热学和结构力学耦合非稳态模型，通过对模型进行有限元分析得到表征输出窗口变化的温度、热变形和热应力等参数分布。首先，针对大功率CO2激光特点，讨论了输出窗口材料GaAs和ZnSe的物理特性。然后，基于10 kW级大功率CO2激光器光学谐振腔结构和输出窗口材料物理特性，建立了输出窗口传热学和结构力学的有限元模型。最后，利用COMSOL软件对该模型进行求解，得到以GaAs和ZnSe为材料的输出窗口的温度、热变形和热应力等参数分布，并对比分析不同窗口材料对参数的影响。研究表明：在10 kW级激光作用下，ZnSe窗口温升小于GaAs窗口；两种输出窗口产生m量级热变形；由于GaAs材料的热导率高，GaAs窗口的热变形和热应力分布更为均匀。
    Abstract: In order to study the thermal characteristic of output window during the working process of high power CO2 laser, a time-dependent model coupled with heat transfer and structure mechanic was established to calculate the distribution of temperature, thermal deformation and thermal stress. First, the physics characteristic of output window materials was discussed. Then, based on the resonant cavity structure of 10 kW TEA CO2 laser and the physics characteristic of output windows, a heat transfer and structure mechanic model was established. Finally, COMSOL finite element software was used to calculate the distribution of temperature, thermal deformation and thermal stress. The influence of different materials of output window on parameters was analyzed. The results indicate that the temperature rise of ZnSe output window is less than the GaAs output window when the output power is consistent for both materials; the deformation of output windows is in the range of m dimension under the 10 kW laser power condition; the distribution of thermal deformation and thermal stress is more even in GaAs output window for its high heat transfer coefficient.
  • [1] Yang Guilong, Li Dianjun, Xie Jijiang, et al. High power repetitive TEA CO2 pulsed laser[J]. Laser Physics, 2012, 22(7):1173-1176.
    [2] Tang Wei, Guo Jin, Shao Junfeng, et al. Analysis of far-field characteristics with repetition frequency of TEA CO2 laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(9):2380-2385. (in Chinese)汤伟, 郭劲, 邵俊峰, 等. 激光重频对脉冲非稳腔TEA CO2激光远场传输特性的影响分析[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(9):2380-2385.
    [3] Wang Xi, Bian Jintian, Li Hua, et al. Experiment on damage in K9 glass due to repetition rate pulsed CO2 laser radiation[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(5):1204-1207. (in Chinese)王玺, 卞进田, 李华, 等. 重频脉冲CO2激光损伤K9玻璃的实验[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(5):1204-1207.
    [4] Zhang Kuo, Lu Jun, Yang Guilong, et al. Estimation of the far-field divergence of high power TEA CO2 laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(8):2286-2291. (in Chinese)张阔, 陆君, 杨贵龙, 等. 大功率TEA CO2激光远场发散角评估方法[J]. 红外与激光工程, 2015, 44(8):2286-2291.
    [5] Xie Jijiang, Li Dianjun, Zhang Chuansheng, et al. Acousto-optically Q-switch CO2 laser[J]. Optics and Precision Engineering, 2009, 17(5):1008-1013. (in Chinese)谢冀江, 李殿军, 张传胜, 等. 声光调Q CO2激光器[J]. 光学精密工程, 2009, 17(5):1008-1013.
    [6] Ku Geng, Cheng Zuhai, Zhang Yaoning, et al. Research of laser reflectors cooled by a thermoelectric refrigerator[J]. Chinese Journal of Laser, 1998, 25(2):123-126. (in Chinese)库耕, 程祖海, 张耀宁, 等. 高功率激光反射镜变形的半导体致冷补偿的研究[J]. 中国激光, 1998, 25(2):123-126.
    [7] Yu Wenfeng, Sun Feng, Cheng Zuhai, et al. Optimum design of phase-change cooling mirror's fabrication by finite element method[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2004, 16(12):1523-1526. (in Chinese)余文峰, 孙峰, 程祖海, 等. 相变致冷镜的有限元结构优化[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(12):1523-1526.
    [8] Yu Liangying, Cheng Zuhai, Zhu Haihong, et al. Thermal deformation for thermal compensation mirror[J]. Optics Optoelectronic Technology, 2007, 5(2):12-15. (in Chinese)余亮英, 程祖海, 朱海红, 等. 热补偿腔镜热变形的研究[J]. 光学与光电技术, 2007, 5(2):12-15.
    [9] Peng Yufeng, Cheng Zuhai, Zhang Yaoning, et al. Temperature distribution and thermal deformations of mirror substrates in laser resonators[J]. Apply Optics, 2001, 40(27):4824-4830.
    [10] Feng Zhiqing, Bai Lan, Zhang Zengbao, et al. Thermal deformation compensation of high-energy laser mirrors[J]. Optics and Precision Engineering, 2010, 18(8):1781-1787. (in Chinese)冯志庆, 白兰, 张增宝, 等. 高能激光反射镜热变形补偿[J]. 光学精密工程, 2010, 18(8):1781-1787.
    [11] Peng Yufeng, Sheng Zhaoxia, Zhang Hu, et al. Influence of thermal deformations of the output windows of high-power laser system on beam characteristics[J]. Apply Optics, 2004, 43(35):6465-6472.
    [12] Sun Feng, Cheng Zuhai, Zhang Yaoning, et al. Thermal distortions in Calcium Fluoride, Potassium Chloride and Fused Silica windows at 1.315m[J]. Chinese Journal of Lasers, 2004, 31(4):412-416. (in Chinese)孙峰, 程祖海, 张耀宁, 等. 在波长1.315m下的几种激光器窗口热效应比较研究[J]. 中国激光, 2004, 31(4):412-416.
    [13] An Jianzhu, Li Youkuan, Du Xiangwan. Influence of laser window's thermal lensing effect on beam quality[J]. High Power Laser and Particle Beam, 2004, 16(4):429-433. (in Chinese)安建祝, 李有宽, 杜祥琬. 激光窗口热透镜效应对光束质量的影响[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(4):429-433.
  • [1] 孙佳宁, 王雨雷, 张雨, 齐瑶瑶, 丁洁, 颜秉政, 白振旭, 吕志伟.  LD端面泵浦Er:Yb:glass/Co:MALO晶体热效应分析 . 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230349-1-20230349-12. doi: 10.3788/IRLA20230349
    [2] 郑雪飞, 李春, 范晓彦, 元光, 栾晓宁, 姚子庆, 李凯.  温度和浊度对罗丹明B示踪检测的影响及校正 . 红外与激光工程, 2022, 51(12): 20220243-1-20220243-8. doi: 10.3788/IRLA20220243
    [3] 王增伟, 赵知诚, 杨溢, 雷松涛, 丁雷.  基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法 . 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20210617-1-20210617-18. doi: 10.3788/IRLA20210617
    [4] 乌日娜, 宋云鹤, 卢佳琦, 高芮, 李业秋, 岱钦.  光子晶体光纤载体中液晶随机激光辐射行为 . 红外与激光工程, 2021, 50(4): 20200171-1-20200171-6. doi: 10.3788/IRLA20200171
    [5] 闫召爱, 胡雄, 郭文杰, 郭商勇, 程永强, 张炳炎, 陈志芳, 赵尉博.  临近空间多普勒激光雷达技术及其应用（特邀） . 红外与激光工程, 2021, 50(3): 20210100-1-20210100-10. doi: 10.3788/IRLA20210100
    [6] 陈一夫, 常浩, 周伟静, 于程浩.  脉冲激光辐照太阳能电池响应及光电转化影响 . 红外与激光工程, 2020, 49(S1): 20200262-20200262. doi: 10.3788/IRLA20200262
    [7] 李颖锐, 吴森, 郭玉, 席守智, 符旭, 查钢强, 介万奇.  温度对碲锌镉光子计数探测器计数性能的影响及机理研究 . 红外与激光工程, 2019, 48(10): 1016001-1016001(6). doi: 10.3788/IRLA201948.1016001
    [8] 宋俊玲, 饶伟, 王广宇, 辛明原.  燃烧流场温度二维重建多吸收谱线重建方法 . 红外与激光工程, 2019, 48(3): 306004-0306004(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0306004
    [9] 杨勋, 徐抒岩, 李晓波, 张旭升, 马宏财.  温度梯度对大口径反射镜热稳定性公差的影响 . 红外与激光工程, 2019, 48(9): 916003-0916003(10). doi: 10.3788/IRLA201948.0916003
    [10] 谢衍新, 吴小成, 胡雄, 杨钧烽, 肖存英.  临近空间全球温度场三维变分同化 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 804005-0804005(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0804005
    [11] 张海燕, 管建安, 庄馥隆, 汪洋, 陈安森, 龚海梅.  红外焦平面低温形变测试方法及其误差分析 . 红外与激光工程, 2016, 45(5): 504001-0504001(3). doi: 10.3788/IRLA201645.0504001
    [12] 杨远洪, 刘硕, 陆林, 靳伟.  基于保偏光子晶体光纤Sagnac干涉仪的温度不敏感压力传感技术 . 红外与激光工程, 2016, 45(8): 802002-0802002(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0802002
    [13] 陈靖, 程宏昌, 吴玲玲, 冯刘, 苗壮.  多层GaN外延片表面热应力分布及影响因素 . 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1021001-1021001(6). doi: 10.3788/IRLA201645.1021001
    [14] 江帆, 吴清文, 王忠素, 苗健宇, 郭亮, 陈立恒, 杨献伟.  星敏感器支架的结构/热稳定性分析及验证 . 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3463-3468.
    [15] 武阿妮, 李晨毓, 周庆莉, 刘建丰, 孙会娟, 杨舟, 张存林.  温度对太赫兹亚波长金属结构共振特性的影响 . 红外与激光工程, 2015, 44(6): 1832-1835.
    [16] 雷景丽, 晏祖勇, 李晓晓, 刘延君, 武刚, 侯尚林.  近零超平坦色散填充光子晶体光纤的温度特性 . 红外与激光工程, 2015, 44(12): 3740-3743.
    [17] 李强, 黄泽铗, 徐雅芹, 张凌云, 史骥, 王智.  基于单模-多模-单模光纤模间干涉的传感系统 . 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1630-1636.
    [18] 孟恒辉, 耿利寅, 李国强.  激光通信器热设计与热试验 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2295-2299.
    [19] 冯云松, 路远, 凌永顺.  发射率对飞机蒙皮温度及红外辐射特性的影响 . 红外与激光工程, 2013, 42(2): 294-299.
    [20] 李君神, 赵国民, 焦路光, 袁春, 陈敏孙.  切向气流作用下激光对薄铝板辐照效应的初步研究 . 红外与激光工程, 2013, 42(11): 2962-2966.
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-06-05
  • 修回日期:  2016-07-07
  • 刊出日期:  2017-02-25

大功率CO2激光器输出窗口热性能分析

doi: 10.3788/IRLA201645.0205005
  • 1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光电对抗技术创新研究室,吉林 长春 130033;
  • 2. 激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林 长春 130033;
  • 3. 内蒙古化工职业学院 机电系,内蒙古 呼和浩特 010070
    • 作者简介:

    张阔(1984-),男,助理研究员,博士,主要从事高功率激光器方面的研究。Email:zhangkuo1104@163.com

  • 收稿日期: 2016-06-05
  • 修回日期: 2016-07-07
  • 刊出日期: 2017-02-25
基金项目:

激光与物质相互作用国家重点实验室自主研究课题（SKLLIM1413）

  • 中图分类号: TN248.2

摘要: 为了研究大功率CO2激光发射过程中输出窗口吸收激光能量产生热性能变化的问题，建立了输出窗口传热学和结构力学耦合非稳态模型，通过对模型进行有限元分析得到表征输出窗口变化的温度、热变形和热应力等参数分布。首先，针对大功率CO2激光特点，讨论了输出窗口材料GaAs和ZnSe的物理特性。然后，基于10 kW级大功率CO2激光器光学谐振腔结构和输出窗口材料物理特性，建立了输出窗口传热学和结构力学的有限元模型。最后，利用COMSOL软件对该模型进行求解，得到以GaAs和ZnSe为材料的输出窗口的温度、热变形和热应力等参数分布，并对比分析不同窗口材料对参数的影响。研究表明：在10 kW级激光作用下，ZnSe窗口温升小于GaAs窗口；两种输出窗口产生m量级热变形；由于GaAs材料的热导率高，GaAs窗口的热变形和热应力分布更为均匀。

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