摘要
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。
This thesis takes the DICP's high power COIL (chemistry oxygen iodine laser) laser mirror as research object. The thermal distortion phenomenon, which takes pjace at the laser mirror's surface when it absorbs immense energy rapidly under the high power laser's irradiation, is analyzed in the paper. The phase-change cooling technology, as a rapid progress cross subject, has obvious advantages when used into the field of laser to solve this thermal distortion problem. But the research about theory and application in this field is still not perfect. Author designed a laser mirror with hole-array inner structure which filled with a specified phase-change material after consulting the existing technical literature, and carry out the experiment in the side of theory and application with it. It was proved that the Fourier heat conduction law is still suitable even the object be irradiated in a short time by high power laser. The mathematic model of heat conduction and phase changing was established through traditio
nal heat conducting differential equation, and the Finite Element Method (FEM) was used to analysis it. ANSYS, an all-purpose FEM software, was selected to calculate the phase-change cooling mirror's temperature field and thermal distortion, and the same as a sample bronze mirror's as a contrast. At the same time we carried out the experiments with the two mirrors in the DICP's laser laboratory and have gotten the basically consistent result as the former calculation. All of this proves that it is effective by filling phase-change materials into the laser mirror for decreasing the mirror's thermal distortion.
The paper put forward the ANSYS software on the numerical simulation of the phase-change cooled laser mirror for the first time. It would be constructive in the following experiments, such as the research of high performance phase-change cooling mirror, the choice of laser mirror materials, the optimization of interior structure and the development about phase-change materials, etc
引文
[1] 庄琦，桑凤亭，周大正 短波长化学激光 北京，国防工业出版社，1997。
[2] 桑凤亭，周大正，金玉奇等 化学激光 北京，国防工业出版社，2000。
[3] ABL FOCUS, May/June 2001: Vol.Ⅶ, No. 3,
[4] 于得利 高能量氧碘化学激光器远场输出光斑质量研究—远场光斑漂移和变形机理及测试 中国科学院大连化物所 (辽宁) 博士后论文 2001．12
[5] Janes R P. Opt Engng, 1983, 22(4): 435-446
[6] 杜少军，陆启生等 表面对流冷却下非稳腔激光窗口温升分布的计算 强激光与粒子束，2000，2
[7] 丘军林 强激光系统中铜镜微变形实验研究 中国激光，1996，7：Vol．A23，No7
[8] 张耀宁，程祖海，库耕，李锋等 硅镜热畸变研究 中国激光，1997，8：Vol．A24，No8
[9] 陈发良 强激光辐射下窗口材料靶传热及热应力破裂的解析分析[J] 强激光与粒子束，1996，8
[10] 黄伟，张云洞，熊胜明 环状连续强激光下光学薄膜的瞬温和热畸变 强激光与粒子束，1996，11
[11] 马毅勇，程祖海，张耀宁 高功率激光窗口热变形分析的有限元方法。强激光与粒子束，1999，11
[12] 吴铁强，王润文 强激光作用下非热平衡状态光学元件的热透镜效应．强激光与粒子束，2000，11
[13] 吴百诗，大学物理 (下) 西安交通大学出版社 1997
[14] C. Pedersen et al. Optical. Lett. 1995,20:1389-1391
[15] J. J. Zayhowski and A. Mooradian, Opt. Lett., 1989, 14:24-26
[16] 蔡志平等 厦门大学学报 1997，36：548-553
[17] Anthony F. M., Hopkins A. K.. Cooled Silicon Mirrors. SPIE, 1981, 291:196-203
[18] 张耀宁，彭玉峰，周次明等 相变制冷复合镜研究。强激光与粒子束，2000，11：76-79
[19] Rigneault H, Maxholdaux C, Giovanninih, etal. Mechanical properties of dielectric thin films SPIE, 1997,3133:176-182
[20] Flory F R. Thin films for optical systems. New York; Marcel Dekker,Inc. 1995, 140～141
[21] Marrujo A R, Lieto C. etal. Deuterium-Fluoride uncooled optics at HEISTF. Critical Reviews, CR67:373-392
[22] 黄伟，张云洞 极高反射率氧碘激光腔镜研制 强激光与粒子束，1999，10
[23] Deck L, Koshigoe L G and Ashely J. Laser Induced Damage In Optical Materials 1984, NBS Spec. Pub.,727
[24] M. Bea, A. Giessen, H. Hugel. On-line control of the focus geometry by coupled adaptive systems Laser und optoelktronik, 1994,26(2):43-49
[25] 张耀宁，库耕，程祖海，杜泽民等 在柔性变焦系统中的压力变焦镜 中国激光 1998，11
[26] 杜少军，陆启生，赵伊君，刘泽金 强迫对流冷却下激光窗口热效应分析 光电子·激光 2000，10；Vol．11 No5
[27] 库耕，程祖海，张耀宁，朱松林 高功率激光反射镜变形的半导体致冷补偿的研究 中国激光 1998，2 (Vol 25，No．2)
[28] Bluege John. Solid to liquid phase change cooled mirror arrangement[P]. U. S. A. PATENT: 5076348, 1991
[29] 彭玉峰，周次明等 相变制冷反射镜的光致热畸变特性实验研究 湖北汽车工业学院学报，2000，9 (Vol．14 No．3)
[30] 张耀宁，彭玉峰，周次明等 相变制冷复合镜研究 强激光与粒子束，2000，11：76—79．
[31] 彭玉峰，程祖海，张耀宁，调次明，余文峰 强激光幅照下硅基片超薄多层金属镜的热畸变 中国激光 2002．1．(Vol，A29，No1)
[32] George A L et al. Solar heat storage: latent heat material, CRC Press, Inc., 1983.
[33] Narita K Japanese Patent Kokai 50-90, 582-583 1976
[34] Kai J et al Japanese Patent Kokai 51-126,980,1976
[35] Kal J et al. Japanese Patent Kokai 51-43,385-387,1976
[36] Gawron K, Schreder J Properties of some salt hydrates for latent heat storage. Energy Research, 1977.1:351
[37] Krichel K. Latentwarmespeicher: Teil 1, Eigenshaften und Anwendungs Moglichkeitenvon Latentwarmespeichern. Report MVG-FBWT, 79-12, Institut fuer Chemie der Treib-und-Explosivstoffe, Berghausen, FRG, 1979
[38] Krichel K. Latentwarmespeicher: Teil 2, Speichermassen Baufrmen und Werkstoffe fuer Schmelzwarmespeicher, Report MVG-FBWT, 79-13, Institut ruer Chemic der Treib-und-Explosivstoffe, Berghausen, FRG, 1979
[39] 张洪济 相变热传导 重庆：重庆大学出版社，1991．
[40] 陈文振，程尚模 矩形腔内相变材料接触融化的分析 太阳能学报，1993：14(3)：202—208．
[41] 陈文振，程尚模等 水平椭圆管内相变材料接触融化的分析 1993：16(1)：68—71．
[42] 刑登清，迟广山等 多元醇二元体系固-固相变贮热的研究 太阳能学报，1995；16(1)：68—71。
[43] 阮德水等 相变贮热材料的 DSC研究 太阳能学报，1994；15(1)：19—24。
[44] Zhang Y P, Liang X G. Effective thermal conductivity of mixed solid materials. Material & Design, 1995; 16 (2): 91—95
[45] Zhang Y P, Liang X G. Effective thermal conductivity of composite materials with metal matrix. Proc. Of the 4th Int. Symposium of Heat Transfer with Exhibition, Beijing China, 1996.
[46] 张寅平，葛新石 球形堆积床相变换热器储、换热性能的理论研究 中国高校第六届工程热物理年会论文集，武汉，1996．5．
[47] 戴彧，唐黎明 相变储热材料研究进展 化学世界，2001，12
[48]张丽芝，张庆相变贮热材料化工新型材料，2001，2
[49]邸友莹几种相变储能材料及稀土—氨基酸配合物的热力学研究 武汉大学，博士学位论文 2001．3
[50]Shen Peter, Willis A. R. and Robert E. K. Thermal theory of convectively cooled mirrors, windows of CW and repetitivelypulsed Laser [A]. AIAA 16th Fluid and Plasma Dynamics Conference, 1983.
[51]邓建明，凌宁 高功率激光反射镜的几个关键技术 强激光与粒子束 1998，11：Vol：10，No4．
[52]K.R. Ataking Liquid Heliium Cambridge University Press London 1979.
[53]V. Peshkov. Second Sound in Helium Ⅱ. J. Phys. USSR. 8:381. 1944
[54]陶文铨 杨世铭 传热学(第三版)北京高等教育出版社，2000
[55]Shimazaki T, Murakami M, Lida T. Second Sound Wave Heat Transfer, Thermal Boundary Layer Formation and Boiling: Highly Transient Heat Transport Phenomena In He Ⅱ. Cryogenics, 1995, 35(10): 645-651
[56]E.R.G Eckert,R.M.drake.Analysis of Heat and Mass Transfer.传热传质分析 航青译．北京：科学出版社 1983．
[57]Joseph D D, Preziosi L. Heat Wave. Rev. Modern Phys., 1989, 61:35-75.
[58]Jou D, Casas Vazouez J, Lenbon G Extended Irreversible Thermodynamics Report of the Progress in Physics, 1988,51:1105-1179
[59]Tzou D Y. Thermal Shock Phenomena Under High-Rate Response In Solids. In: Chang-Liu Ties ed., Annual Review of Heat Tranfser, Hemisphere Publishing Inc., Washington DC, 1992, Chap, 3:111-185
[60]张浙，刘澄瀛 超急速传热时球体内非稳态热传导的非傅立叶效应工程热物理学报 1998，9：Vol．19，No5
[61]Eckert E R G, Goldstein R J, Ibele W E et al. J Heat Mass Transfer 1994, 37 (9): 1285-1375
[62]余宁，潘健生，顾剑锋，胡明娟 瞬态非傅里叶导热效应判据的探讨 激光技术 2002，4：Vol．26，No．2
[63]张寅平，胡汉平，孔祥冬，苏跃红相变贮能—理论和应用中国科学技术大学出版社，1996
[64]Carslaw H C, Jaeger J J. Conduction of Heat in Solids, 2nd edition. Oxford: Clarendon Press, 1959: Chapt. 11
[65]Eckert E R G, Drake R M. Analysis of Heat and Mass Tranefer. New Nork: McGraw-Hill, 1972.
[66]Shamsundar N, Sparrow E M. Analysis of multidimensional conduction phase change via the enthalpy model. J. Heat Transfer, 1975; 97:333
[67]孔祥谦 有限单元法在传热学中的应用(第三版) 北京：科学出版社，1998．
[68]R.D.库克有限元分析的概念和应用程耿东等译北京：科学出版社，1989
[69]张国瑞 有限单元法北京：机械工业出版社，1992．
[70]王勋成，邵敏 有限单元法基本原理和数值方法 北京：清华大学出版社，1995
[71]李炜 粘性流体的混合有限分析法北京，科学出版社，2000
[72]Chen C J, Bergatz R, Carlson K D, Lin W L Finite analytic method in flows and heat trisnsfer.New York:Taylor&Francis,2000
[73]陶文铨 数值传热学(第二版) 西安交通大学出版社 2001，5
[74]刘西云，赵润祥 流体力学中的有限元法与边界元法上海：上海交通大学出版社，1993
[75][美]J.E. 艾金 有限元法的应用和实践 张纪纲，郁卫中等译 北京：科学出版社，1992
[76]王国强 实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践西安：西北大学出版社，2001
[77]龚曙光 ANSYS 基础应用及范例解析北京：机械工业出版社 2003．1
[78]博嘉科技 有限元分析软件—ANSYS 融会贯通北京：中国水利水电出版社 2002．11
[79]杨世铭 传热学(第二版) 北京：高等教育出版社，1987
[80][美]W.M. 罗森诺等 传热学手册(上、下) 李荫亭等译．北京：科学出版社，1985
[81]王补宣 工程传热传质学(上册)，科学出版社，1982
[82]美国ANSYS公司北京办事处 ANSYS 入门手册．2000
[83]美国ANSYS公司北京办事处 建模与分网手册．2000
[84]美国ANSYS公司北京办事处 ANSYS 基本过程手册．2000
[85]美国ANSYS公司北京办事处ANSY$高级技术分析指南．2000
[86]美国ANSYS公司北京办事处ANSYS热分析培训手册．2000
[87]美国ANSYS公司北京办事处ANSYS热分析指南．2000
[88]美国ANSYS公司北京办事处ANSYS非线性分析指南．2000
[89]饶学军，凌宁，许鸿等用哈特曼—夏克传感器测量高能激光作用下镜面变形 强激光与粒子束 2001，12：Vol：13，No．s1
[90]杜少军 高能激光器及其发射系统的热变形研究 国防科学技术大学研究生院工学搏士学位论文 2001，11