以重掺杂硼的纳米硅浆料为硼源,采用纳秒激光熔覆工艺,在钝化发射极及背接触(PERC)电池背面形成了重掺杂硼的硅熔覆层。通过建立三维瞬态温度场的有限元仿真模型,并利用单因素仿真实验,得到了激光工艺参数对温度场的影响规律,初步确定了各激光工艺参数的合理范围。利用极差分析获得了激光工艺参数与激光熔覆温度场分布的相互作用规律。将激光熔覆工艺兼容到PERC电池的制备实验中,结果表明:仿真模型与实验结果较为吻合,电池的平均光电转化效率提升了0.27%。

针对送粉式激光熔覆的特点，基于生死单元法建立了一种可以同时计算瞬态温度场及熔覆层几何形貌的三维数值模型，模型中考虑了送粉过程中激光能量的衰减和粉末颗粒的温升。基于该模型对送粉式激光熔覆过程中的温度场分布和几何形貌特点进行了分析。结果表明，在熔覆开始较短时间后，工件的瞬态温度分布与熔覆层几何形貌基本保持稳定。进行了不同送粉速率下的送粉式激光熔覆试验，对比了熔覆层横截面几何形貌的试验结果和计算结果，熔覆层表面轮廓线与试验结果基本保持一致，熔覆层的宽度、高度和熔深与试验结果基本吻合，说明了所建立的激光熔覆层几何形貌计算模型的有效性和可靠性。

针对波长0.53 μm的毫秒脉冲激光辐照GaAs的表面热分解损伤问题，建立了二维轴对称热传导模型，在考虑材料的热物性参数随温度变化的基础上，采用有限元法模拟了材料的瞬态温度场，得到了温度场分布特征及其随时间的变化规律，给出了材料表面发生热分解损伤阈值曲线。数值结果表明：毫秒脉冲激光对GaAs作用时，热传导影响着激光作用全过程，对应的损伤机理主要为热损伤; 在激光作用下，被作用表面中心处温度最高，并且首先发生热分解损伤; 随着作用激光能量密度的增加，GaAs表面发生热分解损伤的时刻不断提前。

针对“光束中空，光内送粉”的激光熔覆工艺方法，利用Ansys软件的参数化设计语言(APDL)建立了环形激光光斑连续移动加载的激光熔覆模型。通过计算该模型，可以掌握环形激光光内送粉激光熔覆过程中温度场的分布规律。计算结果表明，采用环形激光束加载时，熔池的最高温度区域的形状呈现出“马鞍形”。在基体纵切面上，熔池的高温区域分布呈不对称的“W”形，且高温区域主要分布在光斑中心往后；在基体横截面上，熔池的高温区域分布呈对称的“W”形，熔池中心温度低，两侧温度高，通过基体横断面等温线的分布能够判断熔覆层与基体的结合情况。位于扫描路径中心位置的点在激光束扫过其过程中会经历迅速升温、降温、升温、再迅速降温的急冷急热过程，且第二次升温高于第一次的温度值；位于光斑内外环之间的点在激光束扫过其过程中只有一次升温降温的过程，温度分布较均匀。

为了研究脉冲半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应，对激光晶体瞬态温度场以及热形变场进行解析分析与计算。考虑到脉冲LD出射光具有超高斯分布，且Nd∶YAG晶体热传导各向同性的特点，利用热传导Poission方程得到了超高斯分布脉冲LD端面抽运Nd∶YAG晶体瞬态温度场以及热形变场的一般解析表达式，定量分析了单脉冲抽运过程中超高斯抽运光光斑半径及超高斯阶次、脉冲宽度对Nd∶YAG晶体瞬态温场的影响以及准热平衡状态温度场的时变特性。结果表明，当脉冲LD端面抽运光具有3阶超高斯分布、抽运功率为80W、脉冲频率为100Hz、脉宽为200μs、钕离子掺杂质量分数为0.01的Nd∶YAG晶体瞬态温度场随抽运脉冲呈现出周期性分布，准热平衡状态的温度在25.5℃到29.2℃之间成锯齿形周期分布；晶体抽运面的热形变量在0.13μm和0.19μm之间也呈现出周期性变化。该研究对于脉冲LD端面抽运全固态激光器热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。

为了降低成形过程的热应力，根据有限元方法中的“单元生死”技术，利用APDL语言编程实现了对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场的数值模拟，再现了成形过程中温度场的动态变化，得到了成形过程中模型温度场及温度梯度的分布规律。结果表明，试样同一纵断面上各节点虽然被激活的时间不一样，但它们具有相似的温度变化规律；试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布，基板内的温度梯度主要沿平行基板方向分布，具有明显的分层现象，熔池区的温度梯度非常大。在相同的工艺参数下，实际成形试样的扫描电镜照片与模拟结果吻合很好。

Considering some necessary factors in the design of SSHCL, material properties of Nd doped glass, YAG and GGG were compared. Transient temperature fields and thermal stress in these slab mediums during one working cycle were simulated. Numerical analysis results showed that the internal external temperature difference in a neodymium doped glass slab was 75 K and the peak temperature value was 400 K when pumping time arrived 5 s. The maximum stress came to 50% of glass fracture limit. During subsequent water cooling period, the initial state was recovered after 120 s. On the same boundary conditions, Nd:YAG and Nd:GGG slabs could maintain relatively smooth temperature profile while the temperature rising and equivalent thermal stress were lower compared to glass. In later cooling phase, both of them could reach their operating commencement within 30 s. As cooling, the maximum stress of Nd:YAG overran 50% of the stress limit, thus increasing its tendency to fracture. Taken cooling time, fracture limit and obtainable size of the crystal into account, Nd:GGG should be the suitable active medium for high average power, repetitive frequency heat capacity laser.

考虑固体热容激光器对工作介质的要求,对比分析了掺钕的玻璃、YAG和GGG的多种材料性能.并对三者在激光工作周期内的瞬态温度场及热应力进行了数值模拟.结果表明:在给定的边界及工作条件下,当钕玻璃激光器以热容方式工作,时间为5 s时,介质最高升温超过400 K,最大热致应力为25 MPa,接近其断裂极限的50%.在此条件下进行冷却,当水温为283 K时,需经过约120 s才基本恢复到初始工作状态.而Nd:YAG和Nd:GGG两种介质在相同输入工作条件下,工作时间可达10 s,且温度分布相对平坦,温差和热应力较小,经水冷约30 s可恢复到初始状态.但模拟计算中,发现Nd:YAG在冷却阶段的最大应力达77 MPa,已超过断裂阈值下限值的50%.兼顾冷却时间、材料所能承受的应力及晶体生长尺寸,以及实现100 kW的平均功率输出等因素,Nd:GGG晶体是目前三者中比较适合于作为高平均功率、重复率热容方式工作的激光材料.

详细介绍了在ANSYS软件平台上,建立连续移动三维瞬态激光熔池温度场计算模型的方法,计算模型中考虑了材料表面温度对激光吸收率的影响及材料相变过程对激光熔池温度场的影响。系统分析了连续移动三维激光熔池温度场随时间的变化规律。通过该计算模型,可以掌握激光加工过程中连续移动激光熔池的加热和冷却规律。计算结果表明,当激光沿45#钢基板表面由一端向另一端沿直线扫描时,由于热传导的作用,激光熔池温度随时间增加而升高,同时连续移动熔池表面温度最高点不在激光束中心,而是稍稍偏后于激光束中心。在相同激光工艺参数下,计算熔池横截面尺寸与实验所测熔池横截面尺寸相吻合,表明所建立的连续移动熔池温度场计算模型是正确和可靠的。