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Abstract
Institute of Engineering and Computational Mechanics, University of Stuttgart, Pfaffenwaldring 9, 70569 Stuttgart, Germany
Transient dynamical–thermoelastic–optical system simulation is an important expansion of classical ray tracing through rigid, resting lenses because the operating performance of high-precision optical systems can be influenced by dynamical excitations or thermal gradients. In this paper an approach for an integrated optical system simulation using the coupling of elastic multibody system simulations, thermoelastic finite element analysis and gradient-index ray tracing is presented. Transient mechanical rigid body motions and elastic deformations, thermally induced refraction index changes, and thermal elastic deformations can be considered simultaneously in the ray tracing using the presented method. The calculation of the dynamical and thermal disturbances, the data transfer and coupling, and the gradient index ray tracing method are introduced. Finally, the approach is applied on a transient triplet lens optical system and some investigation results are shown.
GRIN ray tracing dn/dT Thermoelastic-optical system Dynamical-optical system Elastic multibody system Finite element methods Inhomogeneous media Transient analysis Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023006
给出了一种计算二维色散介质光子晶体能带结构的方法，研究二维色散介质光子晶体的特性。考虑色散光子晶体，即介电常数与频率相关，求解一个非线性特征值问题得到能带结构。首先，基于光子晶体电磁波传播的控制方程组推导出变分形式，对离散以后的非线性问题选择合适的解作为初始值，基于牛顿法对不同的波矢值求解该非线性问题，获得色散关系，从而得到光子晶体的能带结构分布。基于数值方法，求解了几种不同的色散介质光子晶体在横电（TE）、横磁（TM）模式下的能带结构，数值结果表明该方法是有效的。
色散光子晶体 能带结构 有限元方法 光子带隙 牛顿法 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0926001
1 重庆大学 计算机学院, 重庆 400044
2 重庆电子工程职业学院, 重庆 401331
3 重庆师范大学 物理与电子工程学院 光电功能材料重庆重点实验室, 重庆 401331
4 重庆长安汽车股份有限公司, 重庆 400023
为降低石墨烯(Gr)透明电极与p-GaN之间的肖特基势垒与接触电阻, 进行了将银、金、镍和铂四种金属或氧化镍作为中间层引入它们两者之间的尝试。使用有限元方法模拟研究了Gr与金属或氧化镍的不同厚度组合对LED的光、热和电特性的影响。发现: 透明导电层的透光率和LED芯片的表面温度均随石墨烯和金属或氧化镍厚度的增加而降低; 1.5nm的Ag、Ni、Pt, 1nm Au或1nm的NiOx分别与3层(3L)Gr复合时为优化厚度组合, 其中, 1.5nm Ni/3L Gr为最佳Gr/金属复合透明电极。
有限元方法 石墨烯 复合透明电极 温度分布 发光二极管 finite element methods graphene composite transparent electrode temperature distribution light-emitting diodes
1 中国科学院力学研究所, 北京 100190
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
3 北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京 100083
根据激光辅助预应力成形的物理模型, 以激光辅助预应力成形过程中的温度场、成形效率、弹性能转化比等物理量为目标, 通过方程分析法以及量纲分析, 提出了一组无量纲参数, 确定了相似准则。使用有限元方法分析了满足几何相似和物理相似的模型比为1∶3两个模型。结果表明, 满足相似准则的两个模型, 在相应的输入参量下, 其物理量相似。
激光技术 相似准则 量纲分析 预应力 有限元方法
1 国防科学技术大学，长沙 410073
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，绵阳 621900
为了研究激光介质热畸变对固体热容激光器的影响，数值计算了高功率激光二极管阵列抽运片状激光介质的瞬态温度场和热应力分布。结果表明，在相同的抽运功率密度下，激光介质中的温度分布和热应力分布不仅与激光介质几何构型及抽运光空间分布有关，还与抽运光斑在介质表面的填充因子密切相关。当抽运光斑未充满激光介质时，介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中，并且介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大；而当抽运光充满介质时，表面是压应力，较小的拉应力存在于介质内部。
激光技术 二极管抽运 瞬态温度分布 热应力 有限元分析 laser technique diode-pumped transient temperature distribution thermal stress finite element methods
国防科学技术大学光电科学与工程学院 定向能技术研究所， 湖南 长沙 410073
高功率双包层光纤激光器的热效应严重制约光纤激光器的输出功率和光束质量。首先通过求解热传导方程得到简化情况下的温度解析解;然后，利用有限元方法对不同情况下的温度分布进行模拟计算。通过模拟计算得到：外包层聚合物材料的热传导系数对光纤的温度分布影响较小，因而在近似计算时可以认为纤芯及内、外包层热传导系数相等;外包层表面的对流换热系数对温度分布影响较大，增大对流换热系数，可以有效地降低光纤激光器的热效应;外包层光纤半径的大小对光纤激光器的温度分布也有影响。所得的结果为设计实现千瓦级光纤激光器提供了参考。
激光器 双包层光纤激光器 温度分布 有限元方法 对流换热系数
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710068
2 中国科学院研究生院，北京 100039
为了使光学仪器能在恶劣的环境下正常工作，需要对其进行详尽的工程分析。对光机系统的分析方法，包括传统分析方法、集成分析方法和统一分析方法进行了研究，说明了它们的工作原理及实现的具体步骤，分别列举了它们的优缺点。进一步指出在集成分析中热弹性分析需要解决的问题及Zernike多项式拟合中需要注意的问题，归纳了使用统一分析方法时需要特别注意的问题。在比较了3种方法优缺点的基础上，对光机分析方法进行了展望，得出集成分析方法在很长一段时间内将是光机系统分析的主要方法的结论。
光机系统分析 传统分析 集成分析 统一分析 有限元方法 opto-mechanical systems analysis traditional analysis integrated analysis unified analysis finite element methods
1 国防科技大学光电技术与工程学院, 湖南 长沙 410073
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
基于有限元数值方法模拟分析了LiNbO3,DKDP,KDP等电光晶体材料在高平均功率激光负载下的热力学特性。结果表明,当入射激光功率为2 kW,光斑尺寸为20 mm×20 mm,激光照射时间为10 s时,三种材料的最大温升分别为0.45 K,7.04 K和76.02 K,最大热应力分别为0.528 MPa,4.78 MPa和47 MPa。
材料 电光晶体 高平均功率 热力学 有限元
激光辅助机械修整金刚石砂轮是一种金刚石砂轮修整新方法,它利用激光束加热砂轮表面使得金刚石修整笔的修整材料模式从脆性断裂变为塑性流动,从而提高砂轮表面修整质量,降低金刚石笔的磨损。运用ANSYS软件建立了激光辅助机械修整过程中金刚石砂轮温度场的有限元模型,并用热成像仪NEC TH7100WX/WV测量了实际工况下的温度场。结果表明,在相同工况下运用仿真模型所得分析结果与实测值拟合得很好。利用所建立的金刚石砂轮温度场的计算机仿真系统可对砂轮修整过程进行前期预测、工艺参数调整及优化等,避免加热温度过高使砂轮表面金刚石颗粒石墨化,或加热温度不足使砂轮表面硬度下降不够等情况的发生,从而减少了直接进行修整实验带来的盲目性。
激光技术 金刚石砂轮在线修整 有限元法 温度场
1 河南师范大学,物理与信息工程学院,河南,新乡,453007
2 华中科技大学,激光技术国家重点实验室,湖北,武汉,430074
利用有限元方法数值模拟了单晶硅(Si)、铜(Cu)、钨(W)、氧化铍(BeO)等镜体材料的热畸变特性.结果表明:当入射激光功率为2 kW、镜面反射率为93%、光斑直径为17 mm、激光照射时间为10 s时,四种材料基板的中心最大热变形分别为0.984,3.32,1.55,1.88 μm.相比之下,Si镜的热变形最小,是比较理想的镜体材料;Cu镜的热变形最大;W和BeO两种材料的镜热变形介于Si镜和Cu镜之间,具有较高的强度和硬度,抗破坏能力较强.
热畸变 高能激光 反射镜 有限元法 Thermal distortion High-power laser Mirrors Finite element methods
