强激光与粒子束
2024, 36(4): 043022
1 苏州大学光电科学与工程学院,江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室暨教育部现代光学技术重点实验室,江苏 苏州 215006
3 浙江大学信息与电子工程学院,浙江 杭州 310027
自适应温度调控器件以其智能开关特性而逐渐成为研究焦点,但是一方面其特殊的光谱要求使得器件设计过程复杂且周期冗长,另一方面器件热控性能亟待提高以满足更加严苛的应用场景。针对以上问题,提出一种深度生成神经网络模型来执行上述复杂的优化任务,该网络模型的更新不依赖于数据集,而是将生成神经网络与传输矩阵方法(TMM)相结合,通过TMM返回的梯度信息指导产生符合预期的多层膜结构,并自动优化膜层厚度和材料种类。作为网络优化能力的验证和演示,本课题组使用该方法设计了一种基于二氧化钒的自适应热控器件,实现了高温太阳吸收比低于0.2、高温发射率高于0.9、发射率差值大于0.8的优异性能。与传统的优化算法相比,生成神经网络以高自由度和更快的速度寻找最优解,与普通神经网络相比,全局优化网络考虑整体的优化目标,通过全局搜索寻找全局最优解,设计结果也证明了该方法在复杂设计任务中的实用性。
薄膜 多层膜 神经网络 自适应温度调控 二氧化钒
1 杭州医学院医学影像学院,浙江 杭州 310053
2 云南大学物理与天文学院云南省高校光电子器件工程重点实验室,云南 昆明 650500
3 中国科学院上海硅酸盐研究所人工晶体研究中心,上海 201899
采用高功率半导体激光端面泵浦技术,在均一浓度Nd∶YAG中心轴沿泵浦光通光方向可产生温度梯度,引起热透镜效应,降低激光输出功率与光束质量。本文结合静态热场数值仿真,建立Nd∶YAG在方形平顶光泵浦条件下的热源方程,研究渐变浓度Nd∶YAG在高功率激光泵浦下的温度分布。当初始泵浦功率为1000 W、泵浦脉宽时间为46 μs、重复频率为1 kHz时,均一浓度Nd∶YAG的吸收系数为5.8 cm-1,其中心轴沿通光方向的温度由185 ℃逐次下降到2、4、6、8 mm处的106、51、29、26 ℃;相应地,每经过2 mm,温度下降率分别为39.5、27.5、11.0、1.5 ℃/mm。与此相对应,本文构建出一款渐变浓度Nd∶YAG整体式结构,每段厚度均为1 mm,总长度为4 mm。将4段Nd∶YAG的吸收系数依次调控为1.5、2.1、3.3、9.7 cm-1,则沿泵浦光通光方向的中心轴温度基本维持在86.5 ℃,在渐变浓度Nd∶YAG中实现沿泵浦光传输方向的温度均匀分布。
均一浓度Nd∶YAG 渐变浓度Nd∶YAG 数值仿真 温度分布
深圳信息职业技术学院 信息与通信学院, 广东 深圳 518172
温度是表征物理化学性质的最基本参数之一,精确的温度测量对于现代科学技术发展起着至关重要的作用。传统基于稀土离子热耦合能级对(TCLs)能量传递的荧光温度传感器因TCLs之间能量差的限制存在测温灵敏度低及信号区分困难等问题。为寻求更优的解决方案,本研究探索了氧空位缺陷发光在荧光温度传感器领域的应用前景。本文通过高温固相法合成了BaMgSiO4陶瓷,由于在高温烧结过程中有少量Ba2+和Mg2+蒸发,陶瓷中会产生氧空位以保持材料电中性。这些氧空位所形成的缺陷能级在332 nm紫外光激发下,发射出372,400,527 nm三种波长的发射光。这三种发射光强度对温度有着不同的敏感性,使得其能够良好应用于荧光温度传感领域。其中,I372和I527组成的温度传感系统相对测温灵敏度在298 K时为2.90%·K-1,高于传统TCLs荧光温度传感器的测温灵敏度,突破了TCLs温度传感器的灵敏度天花板。另外,由于372 nm和527 nm波长相差较大,使得BaMgSiO4陶瓷有着室温下绿光发射到458 K高温下蓝光发射的显著变化,实现了温度监控可视化。因此,BaMgSiO4陶瓷因其独特的氧空位缺陷发光特性,为开发荧光温度传感器提供了一种高精度和可视化的新选择,为荧光温度探测技术提供了一条新思路。
氧空位缺陷发光 荧光温度传感材料 能量传递 可视化 luminescence from oxygen vacancy defects fluorescence temperature sensors energy transfer visualization
1 华中科技大学光学与电子信息学院,湖北 武汉 430074
2 湖北大学微电子学院,湖北 武汉 430062
3 江苏科技大学理学院,江苏 镇江 212003
获得13.5 nm极紫外光刻光源的主流方案为激光激发等离子体,即利用高功率、高重复频率、高光束质量的短脉冲CO2激光与液滴锡靶作用产生极紫外光。高功率CO2激光由振荡器产生的高重复频率CO2种子经多级放大产生,所以功率放大器是驱动光源系统的核心器件之一。建立了射频激励快轴流CO2激光放大器的六温度模型,可以模拟计算放大过程中稳态与瞬态的能量分布情况、光强变化情况、增益系数等。以此模型为适应度函数,采用遗传算法对自研射频激励快轴流CO2激光放大器的腔压和CO2、N2、He气体体积比进行全局优化,优化结果为80 mbar(1 bar=100 kPa)和V(CO2)∶V(N2)∶V(He)=12.2%∶15.3%∶72.5%。在波长10.6 μm种子光注入功率110 W的情况下,放大器的激光输出功率从2504 W 提高到3422 W,验证了该方法的可行性和有效性。
激光技术 极紫外 CO2激光放大 六温度模型 遗传算法
强激光与粒子束
2024, 36(1): 013010
1 燕山大学信息科学与工程学院,河北 秦皇岛 066004
2 河北农业大学海洋学院,河北 秦皇岛 066003
3 爱丁堡大学工程学院,英国 爱丁堡 EH93JL
4 河北省信息传输与信号处理重点实验室,河北 秦皇岛 066004
可调谐二极管激光吸收光谱层析成像(TDLAT)是一种重要的光学非侵入式燃烧检测技术。然而,TDLAT逆问题的欠定性本质使得现有迭代层析成像算法重建的燃烧场温度分布图像存在较大误差。针对该问题,笔者将图像处理领域的卡通-纹理模型引入TDLAT,提出了基于卡通-纹理模型的温度重建算法(TRACT)。该算法利用全变差约束下的Landweber算法重建气体吸收密度图像中的卡通成分,较好地恢复其中的平滑特征与边缘结构;构建改进的迭代收缩阈值算法深度展开网络,并用其重建气体吸收密度图像中的细节纹理成分;通过卡通成分重建与纹理成分重建的相互补充,提高气体吸收密度图像的整体重建质量,进而提高燃烧场温度分布图像的重建质量。利用火焰动力学模拟器生成的仿真数据与利用TDLAT实验系统实际测量数据进行的重建实验均表明,与现有的迭代层析成像算法相比,TRACT重建的燃烧场温度分布图像在客观评价指标与主观视觉质量方面均有较大提升。
光谱学 可调谐二极管激光吸收光谱 层析成像 温度重建 双线测温法 卡通-纹理模型
1 武汉理工大学理学院,湖北 武汉 430070
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900
3 思达威(北京)能源科技有限公司,北京 100097
4 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
随着人类能源需求的增长,油气钻井活动日益频繁。激光钻井在能源领域具有极大的应用价值,有望实现井下原位玻璃套管的制造,以替代传统金属套管,为油气钻井工程节省大量时间和资金。激光辐照岩石玻璃化的稳定形成是实现玻璃套管的关键因素。基于激光扫描花岗岩实验并结合物相检测和数值模拟方法,对激光烧蚀花岗岩玻璃化的影响因素和机理进行了研究。结果表明,受激光扫描后,花岗岩各组成矿物按熔化的难易程度分别发生熔化和碎裂现象,部分表面转化为深色玻璃;高速气流可有效清除岩石碎屑和粉尘,且能够提高激光作用效率和增加岩石玻璃的附着力;花岗岩易受温度作用而发生破裂,其较低的扫描速度和气流辅助条件有利于玻璃化的形成。在实际工程应用中,采用控制扫描速度和辅助高速气流的方法控制岩石的温度作用,形成稳定岩石玻璃和制造稳固覆盖于硬岩表面的原位玻璃化井壁。本研究探究了激光扫描作用岩石的玻璃化机理,为拓展激光钻井的工程应用提供了重要参考。
油气钻井 激光钻井 玻璃化 花岗岩 套管 温度应力 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0514002