Study of an optical device for homogenizing a laser beam and simulation of temperature field in irradiated materials

par Chongguang Li

Thèse de doctorat en Énergétique et thermique

Sous la direction de Martin Raynaud, Agnès Delmas et de Junchang Li.

Soutenue en 2006

à Lyon, INSA en cotutelle avec l'Université des Sciences et Technologies de Kunming, RP Chine .


  • Résumé

    Dans les travaux de caractérisation radiative de matériaux semi transparents à haute température (2000°C) un laser CO2 est utilisé comme source de chauffage des échantillons à tester. La caractérisation ne peut se faire correctement que si les échantillons sont isothermes. On va ainsi rechercher en priorité à homogénéiser le faisceau laser incident qui de nature possède une distribution énergétique non uniforme. Le choix s'est préalablement porté sur un dispositif optique d'homogénéisation. Ce travail de thèse a pour objectif principale l'optimisation du dispositif optique de type Kaléidoscope. La démarche visant à l'optimisation comporte deux phases ; la première consiste à étudier l'influence des paramètres géométriques du kaléidoscope sur le champ d'interférences créé en sortie et donc par conséquent sur la distribution énergétique du faisceau transformé en sortie de kaléidoscope. Pour cela, un modèle mathématique basé sur l'optique de Fourier a été développé afin de simuler la distribution gaussienne. On dégage ainsi les paramètres géométriques optimum en termes de distribution énergétique. Cependant l'optimisation ne peut être complète que si l'on examine le champ de température en surface et au sein du matériau qui a été chauffé par ce faisceau transformé. En effet suivant les propriétés thermo-radiatives du matériau testé, pour une même distribution énergétique de faisceau transformé, le champ de température résultant peut être très différent. La deuxième phase de ce travail consiste à développer un code à partir d'un modèle semi analytique de transfert de chaleur 2D pour simuler les profils de température au sein d'un matériau chauffé sur une des deux faces. Par la suite ce code a été optimisé en terme de temps de calcul afin de l'utiliser dans une des configurations où le temps de chauffage nécessaire à l'obtention du régime permanent est supérieur à plusieurs minutes et pour des échantillons de grandes dimensions. Enfin les simulations de champs de température sont comparées à des champs de température expérimentaux obtenus par thermographie infrarouge sur des feuillards d'acier.


  • Résumé

    In the experiment to measure directional spectral emissivity of semitransparent materials at high temperature (around 2000°C), an infrared CO2 laser beam with the wavelength of 10. 6µm was used as a heating source. From the knowledge of semitransparent materials, the key requirement of the experiment is to obtain a uniform temperature distribution in a specimen, because the appreciable transmission of this material for radiation in certain spectral regions will give rise to the phenomenon of volume emission when the sample is heated. Accordingly a homogeneous laser beam is required to heat specimens. But unfortunately a laser beam exiting from laser device is usually inhomogeneous because of its inherent nature. Thus an optical device is employed to homogenize its energy distribution. This study follows previous works on the subject and continues to develop a detailed mathematical model used to simulate the power density distribution of converted beam; simulations with this model are necessary to optimize the optical system used for transforming a laser beam. Subsequently, an optimizing example is given based on the power density distribution on the heated sample surface. Depending on the power density distribution of heating laser and starting from the analytic solution of energy equation for conduction heat transfer, a semi-analytic model, which can be used for discrete numerical calculation, is developed to simulate the temperature distribution of materials when irradiated by the laser beam. Several simulation examples are presented in the forms of 3-D drawings and 2-D profiles of temperature distribution in a certain transverse plane. Further more, in order to accelerate the simulation on a usual personal computer, rational approximation is made to simplify the model. From the view of the real process of discrete numerical calculation, the essential description about thermal diffusion is discussed. By making use of tolerances of time discretization and spatial discretization, the model is improved further to adapt the simulation of longer heating duration and larger sample size. After comparing the theoretical simulation with experimental measurements, the error analysis and discussion are made. The good agreement of theoretical simulations with experimental thermal spots validates this model and corresponding computer program. All simulations in this study are realized on a common personal computer by programming with Visual C++ on the platform of Microsoft Windows.

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  • Détails : 1 vol. ([70] p.)
  • Annexes : Bibliogr. , [2] p.

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3164)
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