(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111549463.X (22)申请日 2021.12.17 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 113947002 A (43)申请公布日 2022.01.18 (73)专利权人 广东粤港澳大湾区硬科技创新研 究院 地址 510000 广东省广州市黄埔区开源大 道广州开发区科技企业加速器B3栋3 层 (72)发明人 杨军红　孙涛　刘浩　王家赞　 (74)专利代理 机构 深圳中一联合知识产权代理 有限公司 4 4414 代理人 李艳丽(51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (56)对比文件 CN 113255181 A,2021.08.13 CN 113486544 A,2021.10.08 审查员 简文雨 (54)发明名称 光谱合束半导体激光器对流传热系数计算 方法 (57)摘要 本申请涉及激光器技术领域， 并提供了一种 光谱合束半导体激光器对流传热系数计算方法， 包括以下步骤： 建立半导体激光器光 ‑热场耦合 数值模型； 并且设置光 ‑热场的初始条件和边界 条件； 设置光学元件与环境流体间的对流传热系 数参数， 设置时间步长参数， 求解得到不同时刻 不同对流传热系数下光学元件的光场分布和温 度场分布； 导出不同时刻不同对流传热系数光栅 上选定点的温度数据， 对数据进行预处理后， 输 入LSTM网络进行训练； 网络训练完成后， 输入未 经训练的温度数据片段， 验证网络预测对流传热 系数精度。 本申请提供的计算方法， 不需要多次 迭代， 且不仅限适用于稳态传热模型， 应用范围 不受受限， 计算时间比较短。 权利要求书4页 说明书9页 附图5页 CN 113947002 B 2022.03.29 CN 113947002 B 1.一种光谱合束半导体激光器对流传热系数计算方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一， 根据光谱合束半导体激光器内部的光学元件， 在多物理场耦合仿真软件中建 立激光器的几何模型， 根据几何光学传播方程、 光热效应方程及固体热学传热方程， 建立光 谱合束半导体激光器光 ‑热场耦合数值模型； 步骤二， 基于多物理场耦合仿真软件， 根据光谱合束半导体激光器内部的光学元件的 几何参数， 设置所述几何模 型的各光学元件的材料参数， 并且设置光 ‑热场的初始条件和边 界条件； 步骤三， 设置光学元件与环境流体间的对流传热系数参数， 设置时间步长参数， 对步骤 一中建立的光谱合束半导体激光器光 ‑热场耦合数值模型进行计算， 求解得到不同时刻不 同对流传热系数 下光学元件的光场分布和温度场分布； 步骤四， 导出不同时刻不同对流传热系数光栅上选定点的温度数据， 对数据进行预处 理后， 输入LSTM网络进 行训练， 将光学元件 上某点不同时刻不同对流传热系数的温度T 数据 导出； 利用MATLAB软件实现温度数据定步长随机 裁剪， 得到长度为n+1的温度数据片段； 对长度为n+1的片 段进行预处理， 得到长度为n的温度数据 及温度随时间变化率数据 ， 具体计算公式六为： 其中， 为时间步长， k的取值 为1到n之间的自然数； 得到的温度数据 和温度变化率数据 作为LSTM网络的输入， 即 为 （ ， ） ， 对 应的对流传热系数h作为 LSTM网络的输出； LSTM网络单元结构包括输入门i、 遗忘门f、 控制门c和输出门o,LSTM 网络单元的工作过 程表达为: 计算公式七， 其中， sigm为 sigmoid函数， 为k时间步的输入门， 为与输入值x相关的输入门i权 重矩阵， 为k时间步的输入值， 为与输出值 相关的输入门i权重矩阵， 为上一个 LSTM网络单 元的输出值， 且 设定有一个初始值， 为输入门i的权 重偏置； 计算公式八， 其中， sigm为sigmoid函数， 为k时间步的遗忘门， 为与输入值x相关的遗忘门f权 重矩阵， 为k时间步的输入值， 为与输出值 相关的遗忘门f权重矩阵， 为上一个 LSTM网络单 元的输出值， 为遗忘门f的权 重偏置； 计算公式九， 其中， sigm为sigmoid函数， 为k时间步的输出门， 为与输入值x相关的输出门o权权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 113947002 B 2重矩阵， 为k时间步的输入值， 为与输出值 相关的输出门o权重矩阵， 为上一个 LSTM网络单 元的输出值， 为输出门o的权 重偏置； 计算公式十，   其中， tanh为双曲正切函数， 为k时间步的控制门， 为与输入值x相 关的控制门c 权重矩阵， 为k时间步的输入值， 为与输出值 相关的控制门c权重矩阵， 为上一个 LSTM网络单 元的输出值， 为控制门c的权 重偏置； 计算公式十一， 计算公式十二， 其中， 为k时间步隐藏层的输出， 为k时间步单元状态， 由计算公式七到计算 公式十 确定单元存储器要更新、 遗忘和输出 的信息， 通过式计算公式十一和计算公式十二更新单 元状态和隐藏层输出， 最后， 全连接FCN网络合并 ， 并通过sigmoid函数输出预测的对流 传热系数h； 步骤五， 网络训练完成后， 输入未经训练 的温度数据片段， 验证网络预测对流传热系数 精度。 2.如权利要求1所述的光谱合束半导体激光器对流传热系数计算方法， 其特征在于， 步 骤一具体包括： 当高功率激光光束射入光学元件时， 根据朗伯定律， 激光光强随射入介质的深度增加 而逐渐减少， 入射 光强度 与光栅上激光强度I之间的计算公式一 为： 激光光束以功率 入射透射过光学 元件后的光功率P的计算公式二 为： 公式一和公式二中， 为材料的吸收系数， 其表达式为： ， n为材料的折射 率， 为材料的衰减系数， 为真空中波数,   ， 为真空中波长， 为激光束在 光学元件中传播的距离； 根据传热学原理， 控制体总能量的增量等于单位时间内质量力和表面力所做的功、 进 入控制体内的净热量和控制 体内的内热源发热， 激光束通过光学元件后， 一部分光被材料 吸收转换为材料的内能， 透光区域温度升高的同时内能从温度高的区域向温度低的区域传 导， 当内能传播到光学元件表面时， 原本光学元件表面与外界空气的热平衡被破坏， 在光学 元件表面发生对流传热， 根据能量平衡方程与边界条件， 可以计算光学元件温度分布， 具体 计算公式三 为： 其中， 为某一时刻光学元件上某点的温度， 为时间， 为材料密度， 为比热容， k为 热导率， k取正值时， 表示热量目标光学元件的从高温区向低温区流动， 权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 113947002 B 3