为了可以实现对炮体表面瞬态温度分布变化的实时监测, 同时克服传统瞬态高温测试仪器单点探测以及热惯性大等局限性, 设计了基于散斑干涉与光谱频域分析相结合的瞬态温度分布测试系统。 系统采用散斑干涉技术将炮体瞬态温度变化引发的微小形变转换成散斑干涉条纹, 再由傅氏变换完成干涉条纹形变到光谱分布的函数转换, 从而通过光谱分布函数反演任意采样时刻上的温度分布。 实验采用ZX-FB1型光纤测温仪测试单点位置上瞬态温度作为标准值, 再由555 nm激光器与面阵CCD采集散斑干涉条纹, 分别使用图像识别法与傅氏变换法完成干涉条纹与瞬态温度的算法匹配, 从而反演瞬态温度。 实验结果显示, 两种方法均能实现瞬态温度检测, 但基于傅氏变换频谱分析的散斑干涉法精度更高, 并且可以有效地克服由表面瑕疵、 漆面磨损等问题造成的粗大误差。

为了研究矩形激光脉冲辐照下半导体材料3维光生载流子浓度和温度场分布, 采用本征函数法求得了等离子体波和热波随时间和空间变化的解析解。数值模拟了矩形激光脉冲辐照下半导体内光生载流子浓度和温度的时间变化规律以及温度沿径向的扩散规律。结果表明, 光生载流子表面复合速率、寿命和扩散系数等参量对等离子体波和热波分布的时域特性有重要的影响, 特别是在等离子体波和热波阶跃响应的上升和下降沿阶段; 此外, 多参量拟合灵敏度以及相关性分析表明,对阶跃响应曲线进行拟合可实现对半导体参量的单参量及双参量表征。该理论结果对于利用阶跃光激励的光热技术测量半导体材料参量具有一定的指导作用。

建立了激光二极管阵列快轴垂直于薄片表面、对快轴压缩、环绕侧面泵浦复合薄片激光器的数值模型。依据激光二极管阵列的输出光束特性, 运用有限元法, 得出了薄片内的泵浦光、温度和热应力分布。分析了温度和热应力与泵浦功率、换热系数和时间的变化规律。模拟结果表明：热破坏主要为复合面外侧的拉伸破裂；温度和应力的上升时间和恢复时间随泵浦功率的变化不明显, 随换热系数的增大而减小, 存在一个最佳的换热系数；考虑热力学参数温度相关性的稳态温度和应力要大于不考虑热力学参数温度相关性时的值。

建立了激光二极管阵列(LDA) 环绕侧面泵浦复合薄片激光器的数值模型, LDA的快轴垂直于薄片表面并被压缩。依据LDA 的输出光束特性, 考虑到介质与空气的对流热交换和材料热导率的温度相关性, 根据经典热传导方程, 运用有限单元法, 得出了薄片内的泵浦光和温度分布。分析了LDA个数、泵浦距离、吸收系数和光束发散角对薄片内泵浦光分布和吸收效率的影响规律, 讨论了温度与泵浦功率、换热系数、冷却液温度和时间的变化规律, 所得的有关规律与相关实验相符合。计算结果可为LDA泵浦固体激光器的结构优化设计和实验研究提供理论参考。

在准连续激光二极管(LD)抽运的激光晶体中存在升降温的瞬态过程。为解决准连续LD端面抽运激光晶体产生的热效应问题,基于热传导方程,采用特征函数法和常数变异法得到了准连续超高斯光束端面抽运Nd:YAG棒的瞬态温度场的一般解析表达式。同时定量分析了准连续抽运光束腰半径、脉宽以及频率对Nd:YAG棒瞬态温度场的影响。研究结果表明,准连续LD端面抽运Nd:YAG棒时,棒内温度随时间呈锯齿状变化,经过一段时间后最终呈稳定周期性分布,而且棒内温度也随脉宽和频率的增大而增大。研究方法和所得结果还可以应用到激光系统的其他瞬态热问题研究中。

对抽运及冷却中发生的流动、对流扩散及瞬态热传导等现象的耦合作用过程,用多物理场耦合分析方法,建立了计算激光晶体温度分布的流-热-固耦合模型。应用有限单元法,对受高功率重复脉冲抽运的片状激光晶体进行瞬态温度场数值模拟。排除了不精确的换热系数对计算结果的影响,并为评价流速、流道形状等因素对冷却效果的影响,从而为改进冷却方式降低激光晶体的热效应提供了可靠的分析方法。

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。

考虑温度大幅度变化对工作介质比热容的影响,在激光二极管阵列峰值抽运功率超过104 W的情况下,对热容激光器片状18 mm×18 mm×10 mm Nd:GGG工作介质进行了温度分布的数值计算,并与HR-2型红外热像仪对工作介质端面与侧面测量的温度数据进行了对比分析,取得了一些有价值的结果。

提出一种新的激光增益介质板条抽运结构,这种结构能对由激光增益介质板条温度分布不均所造成的波面热畸变实现自校正,并建立了这种抽运结构下激光增益介质板条的瞬态温度分布理论模型,通过解热传导方程,推导出板条增益介质的瞬态温度分布的解析表达式。同时对抽运参量分别为抽运脉冲能量为5.8×104 J、抽运重复频率为2 Hz和抽运脉冲能量为3.2×104 J、重复频率为10 Hz两种情况下两种下N-31型钕玻璃板条的瞬态温度分布分别进行了数值计算,分别给出两种情况下10 s内和60 s时钕玻璃板条的温度分布图并对结果进行了分析和对比,表明采用这种抽运结构的增益介质板条激光器可以以类似热容激光器的方式在短时间内实现高平均功率、高光束质量运转。