固體激光器的熱流固耦合數(shù)值模擬與像差研究

梁興波 呂坤鵬 陳一豪 劉磊

摘要：固體激光器所形成的熱效應(yīng)和波前像差是影響固體激光器運行功率和性能提升的主要因素，為了能夠有效解決這些影響因素所帶來的阻礙，本文首先對固體激光器的熱流固耦合數(shù)據(jù)值模擬進(jìn)行了研究，之后又對影響光程差的因素做了細(xì)致的分析，最后提出了光程差的計算方法。通過本文的研究望可以為固體激光器的正常高效運行提供參考。

關(guān)鍵詞：固體激光器；熱效應(yīng)；耦合數(shù)值；模擬；像差

伴隨激光技術(shù)不斷完善，激光在各領(lǐng)域中的應(yīng)用具有非常重要的作用，并且對高性能的激光器需求也越來越大。在各種激光器當(dāng)中，固體激光器因其本身特有的結(jié)構(gòu)緊湊、方便攜帶、功率高、光束效果佳等優(yōu)勢被人們所關(guān)注和廣泛應(yīng)用。然伴隨激光器功率增大，固體激光器熱效應(yīng)和波前像差現(xiàn)對激光器的光束質(zhì)量與運行穩(wěn)定性產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響，所以需利用合理的措施降低激光器熱效應(yīng)和波前像差現(xiàn)像發(fā)生機(jī)率，由此右證輸出功率和光束質(zhì)量。

1.固體激光器的熱流固耦合數(shù)據(jù)值模擬

1.1增益模塊模型的構(gòu)建

對數(shù)值模擬來說，在充分滿足計算要求基礎(chǔ)上，需最大程度的對模型進(jìn)行簡化，以降低所需計算量和時間，提升模擬效果。增益模塊模型的構(gòu)建選擇的是兩薄片式的三流道設(shè)計。因為流體流動所具有的對稱性特點，所以可選用實際模型中的一半來構(gòu)建模型，就是將壁面設(shè)置為對稱性平面。在固體域當(dāng)中，含有內(nèi)熱源增益介質(zhì)的薄片陣列，而在流體域當(dāng)中含有流體流動和通道冷卻系統(tǒng)[1]。

1.2增益模塊劃分

模塊的網(wǎng)絡(luò)劃分就是把求解域分離成有限數(shù)量并且相鄰的若干個控制單元，同時對各控制方程的離散值進(jìn)行求解。所以網(wǎng)絡(luò)劃分同樣也屬于模型構(gòu)建過程中較為關(guān)鍵性的一部分。在三維模立體模型當(dāng)中僅需在某一軸方向?qū)嵤┚W(wǎng)格劃分就可以。然對固體域結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)劃分，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力模擬的結(jié)果會受到網(wǎng)格質(zhì)量不同程度的影響，但是并不會像流體計算時的那樣明顯，所以對結(jié)構(gòu)所實施的網(wǎng)絡(luò)劃分要求與流體相比不是很高，基本都會使用均勻性的網(wǎng)絡(luò)劃分法。在實施固體域網(wǎng)格無關(guān)性檢測時，通過檢測結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，對固體域來說，模擬結(jié)果對網(wǎng)絡(luò)所形成的影響并不大，全面思考計算精度和時間，選用總計為160萬的固體網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行劃分。

1.3模型參數(shù)的確定

首先，增益介質(zhì)。本文所構(gòu)建的增益模塊模型構(gòu)成主要是由增益薄片陣列和通道換熱系統(tǒng)所構(gòu)成，固體域增益介質(zhì)是固體激光器晶體，在模擬情況下固體物性發(fā)生改變的機(jī)會會非常小，因此在模擬過程中，物性參數(shù)可以設(shè)置成常數(shù)，并同時假設(shè)材料是安全線強(qiáng)性；其次，冷卻介質(zhì)。增益模型中的流體域當(dāng)中所設(shè)置的冷卻液是小，因為在進(jìn)行模型計算的時候，會對溫度場進(jìn)行計算，然液體物性即密度和粘度等，隨溫度變化的幾率相對較大一些，因此在模擬設(shè)置過程中，對于流體物性的選擇需選擇變物性的流體[2]。

1.4邊界條件的設(shè)置

邊界條件指的是在數(shù)值模擬可以求解的情況下。利用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的Fluent軟件包和靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析軟件來設(shè)定單向熱流固耦合的三維模型的邊界條件設(shè)。首先軟件包模塊，其主要包含的內(nèi)容有入口邊界、出口邊界、壁面邊界、內(nèi)熱源設(shè)定。在此當(dāng)中，將流體入口設(shè)定上成速度入口；對于出口邊界的設(shè)定，因不清楚出口是不是能夠得到發(fā)展，所以選用與實際更為貼合的壓力出口邊界為常壓出口。壁面邊界的設(shè)定，流體域中壁面需選擇沒有滑移的邊界，并同時把除流固耦合界面以外的壁面設(shè)置成絕熱壁面，然流體域和固體域所接觸的壁面則需設(shè)置成流固耦合壁面。內(nèi)熱源的設(shè)定。因為泵浦光是均勻的照在增益介質(zhì)的陣列當(dāng)中的，因此在模擬過程中，可以將其確認(rèn)成具有均勻性的熱源，為此在邊界設(shè)定中，把固體域設(shè)置成均勻內(nèi)熱源，同時將單塊增益介質(zhì)熱負(fù)荷設(shè)置成1000瓦。其次，靜態(tài)分析模塊，主要包含壁面置和載荷設(shè)置。其中壁面設(shè)置，在對結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行計算的時候，計算對象僅有固體域，也就是兩個增益薄片。除流固耦合壁面與對稱壁面，可對其兩側(cè)實施固定的約束，對其外側(cè)需設(shè)置無摩擦式的約束，這種約束與法向約束非常相似，令限制在法向下，不可進(jìn)行位移，但是可以不同方向的平移。在此當(dāng)中的固定約束就是全約束，僅對這一面各方向位移和轉(zhuǎn)動進(jìn)行管控。載荷設(shè)置。對流固耦合模擬當(dāng)中的固體域載荷進(jìn)行設(shè)置，增益介質(zhì)中的載荷都是來自流體域當(dāng)中，可劃分成增益介質(zhì)溫度部分和流固耦合壁面壓力，就是微通道中流場施加給薄片的壓力[3]。

2.影響光程差的因素

2.1流動雷諾數(shù)因素

流體流動狀態(tài)變分會對流體傳熱效率與整個系統(tǒng)溫度的分散性產(chǎn)生影響，在此情況下，也一定會不同程度的影響到激光器的光程。結(jié)合流動雷諾數(shù)值對固體激光器熱效應(yīng)和光程差所產(chǎn)生的影響情況，對薄片介質(zhì)熱負(fù)荷、流動雷諾數(shù)的各工況實 施數(shù)值模擬，其最大的范式等效應(yīng)力會隨雷諾數(shù)而發(fā)生相應(yīng)的變化。最大范式等效應(yīng)力隨流動雷諾數(shù)升高而不斷降低；雷諾數(shù)為2200的葉偶。薄片承受的范式等效應(yīng)力是331.84兆帕，與固體激光器晶體抗接性341兆帕非常接近，如果再將雷諾數(shù)降低，會使增益模塊產(chǎn)生損壞。所以工作狀態(tài)下的微通道雷諾數(shù)不可小于2200。在此情況下，更深層的對峰谷值的流動雷諾數(shù)變化情況進(jìn)行分析，可以看出流動雷諾數(shù)不但會影響峰谷值，而且來會對光程差分布形成影響[4]。

2.2薄片熱負(fù)荷因素

伴隨激光器本身輸出功率的不斷提升，薄片熱負(fù)荷也會相繼增大，在此情況下便會產(chǎn)生固體激光器的熱效應(yīng)和波前像差，而且這種情況會變來非常嚴(yán)重。為為對固體激光器設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，對薄片熱負(fù)荷和固體激光器熱效應(yīng)及光程差所產(chǎn)生的影響因素進(jìn)行分析便顯得特別重要。從實驗中可以看出，薄片受到的最大范式等效應(yīng)力會隨薄片熱負(fù)荷現(xiàn)象而不斷加劇。當(dāng)薄片熱負(fù)荷達(dá)到2300瓦的時候，最大范式等效應(yīng)力會達(dá)到333兆帕，如果繼續(xù)增大熱負(fù)荷會使薄片產(chǎn)生斷裂的現(xiàn)象。所以增益模塊承受的最大熱負(fù)荷便是2300瓦。

3.結(jié)語

總體來說，雖然激光在各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，但因為功率的不斷增大，致使產(chǎn)生了熱效應(yīng)和波前象差問題，這些問題如果不能得到有效解決，將會影響激光器光束質(zhì)量和正常工作。因此本文對固體激光器的熱流固耦合模擬進(jìn)行了分析，之后結(jié)合固體激光器在運行中所產(chǎn)生的影響因素，提出了解決熱效應(yīng)及波前象差的方法，由此促進(jìn)固體激光器能夠更加高效的為各個行為創(chuàng)造效益和促進(jìn)企業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2]張逸民，銀慶，高光波.鋁銅組合式散熱器在激光器冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].航空制造技術(shù). 2018（04）： 92-95.

[3]張翔，蘇禮坤，蔡青.全固態(tài)Nd：YAG激光器熱效應(yīng)及輸出光束波前像差分析[J].光學(xué)學(xué)報.2010（3）： 802-807.

[4]高波，李瑞潔，魏小紅，等. 關(guān)于光學(xué)元件面形評價參數(shù)峰谷值（PV）的分析[J].應(yīng)用光學(xué).2010（06）： 1046-1049

（作者單位：華北光電技術(shù)研究所）