采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件模拟不同功率、不同扫描速度的CO₂激光退火锗芯光纤过程中的温度场分布。通过分析激光退火过程中光纤温度场的分布和变化，得到较为适合的激光退火条件。结合退火后锗芯光纤的拉曼光谱测试，发现对于外径和内径分别为190 μm和28 μm的锗芯光纤而言，在所有退火条件中，2.153 W激光功率、6 mm/s扫描速度能明显改善光纤性能。本仿真研究为优化锗芯光纤特性的实验提供了参考。

空间高能粒子辐照航天器电子器件诱发的毁伤和热演化特征, 直接关系到航天器的在轨安全运行和在轨任务的顺利实施。本文利用自行构建的飞秒脉冲激光辐照系统、激光诱发毁伤的数据采集系统、数据读写系统和红外热成像系统, 开展了不同激光输出重复频率、不同作用区域下辐照铁电存储器(FRAM)实验, 获取激光辐照于铁电存储器被照面的稳态温度场和铁电存储器的暂态失效和永久失效出现时间, 并观测了辐射效应对铁电存储器的毁伤效果, 经MATLAB软件处理得到了激光辐照铁电存储器不同区域热演化过程的温度场分布。实验结果表明: 在激光输出功率近似相同的飞秒脉冲激光辐照条件下, 激光脉冲输出重复频率越低, 诱发永久性毁伤出现时刻的时间越长, 近似呈非线性增长; 随着激光输出重复频率的增大, 激光对铁电存储器的作用由激光电离存储器介质产生的高能带电粒子对铁电体自发极化的破坏为主, 逐步转变为以热辐射与热应力诱发的毁伤; 当激光在器件表面产生的最高温度接近存储器最高工作温度时, 永久毁伤的出现时间将显著延长。并通过对回归参数的计算和假设检验, 给出了回归参数的置信度1-α为95%的条件下激光辐照区域1与区域2的最高辐射温度与激光输出重复频率的拟合关系式。

为了探究VO2薄膜受激光辐照的温度场分布, 以及1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的激光功率密度阈值, 并比较近红外和中红外波段透过率调制特性差异。首先基于COMSOL建立了薄膜受激光辐照的模型并进行了温度场仿真, 然后分别测试了薄膜正反面被不同功率密度的1 064 nm激光辐照100 s内激光透过率随时间响应特性。实验中的VO2薄膜利用分子束外延法在Al2O3基底上制备得到。仿真结果表明, 激光功率密度为25 W瘙
簚mm-2时,50 nm厚薄膜在被辐照1 ms时间内即达到相变温度。经激光辐照实验发现: 50 nm厚的VO2薄膜正反面受1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的功率密度阈值分别为4.1 W瘙
簚mm-2和5.39 W瘙
簚mm-2。30 nm厚VO2薄膜对1 064 nmn激光的透过率调制深度约为13%, 对3 459 nm激光透过率调制深度约62%, 说明VO2薄膜对近红外透过率调制特性不明显。

为了研究金属杂质粒子周围基质温度场的分布, 基于Mie理论和强吸收体热传导理论模型提出了以金属杂质粒子为球心的复合球体热传导模型, 利用有限元分析思想方法和拉普拉斯变换方法, 得到嵌入熔石英的金属杂质粒子周围基质的温度场分布模型。该模型适用于模拟不同半径的金属杂质粒子周围基质的温度场分布。通过研究在波长为1 053 nm, 持续时间为10 ns的激光辐照下, 半径为100 nm的铜杂质粒子周围熔石英基质温度场的分布结果, 表明基质温度较高的区域主要集中在100~200 nm之间; 在激光脉冲末端, 复合球体半径约为100 nm处, 基质温度达到最高; 基质吸收率的大小受温度影响且与温度成正比关系, 在温度场的模拟过程中基质吸收率的变化所产生的影响不容忽视。通过对基质温度场的研究分析, 进一步明晰了激光诱导材料发生损伤的机理, 该模型对激光诱导材料发生损伤的形态以及材料周围应力场的分布研究具有重要的意义。

针对不同厚度的镍膜以及金膜,利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics研究了波长248 nm、矩形脉冲宽度14 ns激光辐照损伤阈值随膜厚变化的物理过程。本研究与他人的理论计算和实验测得的结果基本一致,研究表明:在高强度单脉冲激光均匀辐照下,金属薄膜表面的损伤主要是由于激光能量在其材料内部的沉积而导致的热效应引起的;当金属薄膜的厚度小于其光学吸收长度时(镍膜厚度＜8 nm,金膜厚度＜12 nm),其熔融损伤阈值随着薄膜厚度的增加而减小;当薄膜厚度大于光学吸收长度而小于其热扩散长度时(镍膜厚度8~730 nm,金膜厚度12~1 050 nm),其熔融损伤阈值随薄膜厚度增加而线性增加;当薄膜厚度大于其热扩散长度时(镍膜厚度＞730 nm,金膜厚度＞1 050 nm),其熔融损伤阈值随薄膜厚度的增大基本保持不变。

针对分布式光纤温度传感系统(Distributed Optical Fiber Temperature Sensing System,DTS)在线测温精度不高的问题, 提出了使用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)解调仪对DTS进行温度补偿。对不带温度补偿的DTS进行了温度测量和数据分析, 证明了进行温度补偿的必要性。设计了带温度补偿的DTS并进行了温度测试。实验结果表明, 在使用FBG解调仪对DTS进行温度补偿后, DTS的温度精确度可以达到0.3℃。

复杂的野外环境大大影响了红外热像仪对爆炸温度场的测量精度。从理论角度分析了影响测温精度的因素，提出相关的改进措施。温压弹爆炸测试现场使用野外标准黑体对红外热像仪进行实地定标，准确采集到温压弹的爆炸过程，并提取到相关数据。利用 MATLAB软件平台对实验所得数据进行处理，进而得到爆炸火球表面的温度场分布信息：爆炸火球的最高温度 2881℃；1000℃及其以上温度场持续时间为 1300 ms；1000℃及其以上温度场最大散布范围为 12.61 m。测试现场同时设置了 CCD高速相机进行可见光波段的测试，测试结果表明，测试数据具有很高的精确性和可靠性。

建立了激光辐照下光学表面典型锥状缺陷的热损伤分析模型,基于有限差分方法计算了典型缺陷附近的调制光场和温度场分布,得出了缺陷对材料热损伤阈值的影响规律。结果表明，热损伤阈值与入射激光的波长呈正相关，与缺陷的尺寸呈负相关。同一波长激光辐照的情况下，材料表面有1个缺陷存在时，热损伤首先发生在缺陷处，而当多个缺陷存在时，热损伤首先发生在2个缺陷的中间区域，并且多个缺陷要比单个缺陷更易造成损伤；对于不同波长的辐照激光来说，波长为800 nm的激光要比波长为1064 nm的激光更容易使材料产生损伤。

为了研究飞秒激光与铌酸锂表面作用过程中热效应对其表面的影响, 采用重复频率为25MHz、脉宽为100fs、平均输出功率为500mW的紧聚焦飞秒激光对铌酸锂表面进行刻蚀。通过建立热扩散理论模型, 模拟重复频率25MHz的飞秒激光在刻蚀点的温度场分布, 并通过电子显微镜对刻蚀点的形貌进行分析, 发现刻蚀点从内至外形成了3种大小不同、排列疏密不同的颗粒状结构区域, 且中心区域被高温烧蚀并伴有裂缝产生。通过能量色散谱仪对刻蚀点的3种不同结构区域中Nb和O元素的相对含量进行测量, 结合刻蚀点的温度场分布、形貌和元素含量进行了分析。结果表明,Nb和O元素在温度场的驱动下向外扩散; 两者的相对含量对刻蚀点的表面结构具有极大影响。这一结果对高重频飞秒激光刻蚀铌酸锂物理机制及应用的研究是有帮助的。