超短脉冲激光辐照下参与性材料多态耦合热效应研究

超短脉冲激光辐照下材料内多态耦合热问题在激光烧蚀、光学器件热防护、激光加工及晶体生长等领域具有重要应用背景，其热量传递与温度分布将对光学晶体的设计和制备、半透明陶瓷的激光加工以及半透明材料的工业生产、烧蚀材料热防护等过程产生显著影响。本项目拟开展超短脉冲激光与材料相互作用机理的研究，确立高热流密度激光照射下参与性材料的非平衡能量输运过程和瞬时性态变化规律，考虑短脉冲与材料作用的非傅里叶效应，建立高热流密度、多时间尺度、多相态瞬态耦合热过程分析的物理模型及数学模型，研究不同时间尺度下超度脉冲激光与非均匀材料的瞬态传热理论，分析影响脉冲激光在参与性材料内能量传输及热效应发展的多种因素，建立超短脉冲激光辐照下材料内瞬态辐射-相变耦合热过程的理论模型，探索材料光学特性分布的非均匀性与辐射－相变耦合传热的相互作用机制，揭示材料内高温相变界面移动特性、传热机理和规律。

围绕超短脉冲激光辐照下参与性材料的光热过程，本项目开展了以下几方面研究：1）超短脉冲激光在参与性介质内的瞬态传输模拟，建立了模拟短脉冲激光在参与性介质内传输的时域有限体积法模型，重点分析了瞬时信号的变化特性以及利用瞬时信号进行物性反演的可行性。提出了选取有效辐射信号时段的准则，该准则可以指导在短脉冲激光与参与性介质相互作用的实验测量中选取包含丰富有效的介质内部信息的时域辐射信号。模拟了Gauss脉冲入射下各向异性散射光学厚平板介质的时间分辨峰值反射信号，根据拟合的Boltzmann函数，能够较为准确地重建峰值反射信号。建立了频域辐射传输方程的数值求解模型。2）瞬态辐射传输反演，瞬态辐射传输多出一个时间变量，丰富了探测信息，为反演参与性材料的辐射物性参数提供了新的手段，本研究分别利用短脉冲激光与参与性材料作用后的时域或频域信号进行了反演模拟。3）激光照射下瞬态导热辐射耦合换热反演，考虑能量方程，针对短脉冲激光照射下参与性材料的热现象，开展了瞬态导热辐射耦合换热研究，并利用光、热信号反演了材料的热物性，重构了材料内部缺陷的位置和尺寸。4）短脉冲激光照射下相变辐射耦合换热反演，建立了相变参与性材料内热传递的数值模型，模拟了相变材料内温度分布、固糊界面和液糊界面的位置。利用边界上随时间变化的温度作为测量值，同时反演了参与性材料的斯蒂芬数和导热辐射参数。5）基于稳态光热信号的反演研究，开展了反演算法研究，将微粒群算法、蚁群算法和果蝇算法等智能优化算法用于辐射反问题求解，通过边界处的温度和辐射热流密度信息，反演了参与性材料介质的吸收系数、散射系数、导热系数、导热辐射参数、反照率和介质壁面发射率等物性参数。利用基于基函数展开法的Abel变换方法对圆柱对称光学薄介质红外辐射强度进行了反演研究。利用非接触式的光学信号反演了含球形或椭球形粒子系的粒径分布。6）其他研究，开展了辐射传输数值模拟方法研究，建立了积分有限元法模型，将求解范围扩展到二维线性各向异性散射介质内的辐射传输。建立了多孔隔热材料的耦合热传递数值模型。.本项目共发表文章23篇，其中SCI、EI双检6篇，EI单检5篇；发明专利授权1项，受理12项；培养博士4名（已获得学位2名，在读2名），硕士6名。在短脉冲激光的传输、辐射反问题的智能优化算法、相变辐射耦合等方面取得进展，研究成果为参与介质辐射光热信号的利用提供前期理论支撑