程小勁
摘 要:為了更直觀理解固體激光器中的熱分布,借助Ansys Workbench有限元分析軟件對(duì)不同厚度板條結(jié)構(gòu)Nd:YAG晶體的溫度分布進(jìn)行了分析,揭示了Ansys Workbench在固體激光器熱分析中的作用,分析結(jié)果對(duì)固體激光器的設(shè)計(jì)有重要參考意義。
關(guān)鍵詞:Ansys Workbench 固體激光器 熱分析
中圖分類號(hào):TN248.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2018)01(c)-0067-02
盡管近些年光纖激光器、半導(dǎo)體激光器的快速發(fā)展使得固體激光器在平均輸出功率上的優(yōu)勢(shì)縮小,但在高脈沖能量、高峰值功率上,固體激光器仍然具有明顯的優(yōu)勢(shì),使得固體激光器在科研、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。熱效應(yīng)是固體激光器設(shè)計(jì)時(shí)必須要優(yōu)先考慮的問題,由于量子虧損等原因,在固體激光器中,泵浦光抽運(yùn)固體激光介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱,為了降低激光介質(zhì)的溫度,需要對(duì)激光介質(zhì)表面進(jìn)行冷卻,因此激光介質(zhì)內(nèi)部到表面會(huì)有一定的溫度差,溫差的存在會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力和熱致雙折射,從而影響固體激光器的效率和光束質(zhì)量。因此在設(shè)計(jì)固體激光器時(shí),必須根據(jù)泵浦方式和冷卻條件的不同對(duì)激光介質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的熱分析,并根據(jù)結(jié)果選擇合理的激光介質(zhì)尺寸、泵浦和冷卻結(jié)構(gòu)。在三維直角坐標(biāo)系中,激光介質(zhì)的溫度分布可以由熱傳導(dǎo)方程來描述,當(dāng)激光晶體處于熱平衡時(shí),熱傳導(dǎo)方程可以表達(dá)成:
(1)
其中,Q為單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量,k為激光介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),再根據(jù)冷卻條件設(shè)置對(duì)應(yīng)的邊界條件,一般常見的邊界條件有傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和隔熱。對(duì)于一維熱分布,我們一般可以直接根據(jù)熱傳導(dǎo)方程和邊界條件計(jì)算出溫度分布,但當(dāng)考慮的溫度分布大于一維時(shí),用解析法直接求解熱傳導(dǎo)方程是比較困難的,所幸計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為多維溫度分布的計(jì)算提供了較好的方法。Ansys Workbench是美國(guó)Ansys公司研制的大型通用有限元分析軟件,利用Ansys Workbench,我們可以對(duì)材料進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析。下面將以Nd:YAG板條激光器為例,利用Ansys Workbench 軟件分析了不同厚度下板條晶體的溫度分布。
Ansys Workbench分析激光介質(zhì)熱分布分成以下幾個(gè)步驟:(1)建模:可以在Ansys軟件中建模,也可以導(dǎo)入其他三維軟件(Solidworks,Pro/E等)中的模型;(2)材料屬性設(shè)置:設(shè)置激光介質(zhì)的熱導(dǎo)率、彈性模量等參數(shù);(3)網(wǎng)格劃分:劃分約精細(xì),結(jié)果越準(zhǔn)確,但所需計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng);(4)加熱載:在晶體內(nèi)部加入熱載,并根據(jù)冷卻方式確定邊界條件;5結(jié)果后處理。
表1為實(shí)際的熱分析過程中用到的主要參數(shù),Nd:YAG的熱傳導(dǎo)系數(shù)為14W/mK。為了比較不同厚度的晶體的熱分布的差異,我們選了1mm,2mm和3mm共3種厚度的板條,而在寬度和長(zhǎng)度方向,選用了相同的尺寸,每種板條承受的熱載均為200W。在三維建模方面,專業(yè)的三維軟件(Solidworks,Pro/E等)比Ansys自帶的建模功能要強(qiáng)大,使用也更方便,所以我們先在Solidworks里面建模,再通過Ansys Workbench的Import Geometry將模型導(dǎo)入到Ansys中。完成建模后,需要設(shè)置材料的參數(shù),對(duì)于熱分析來說,導(dǎo)熱系數(shù)、泊松比和熱膨脹系數(shù)是與熱分布(溫度、熱應(yīng)力和熱致雙折射)關(guān)系比較密切的參數(shù),其數(shù)值可以通過相關(guān)文獻(xiàn)獲得。網(wǎng)格劃分是有限元分中非常重要的環(huán)節(jié),網(wǎng)格劃分要兼顧精度和效率。進(jìn)行完網(wǎng)格劃分后,需要對(duì)模型施加載荷和約束。在本例熱分析中,首先通過Internal Heat Generation命令給板條激光介質(zhì)施加200W的熱功率,然后需要對(duì)激光介質(zhì)的每個(gè)面設(shè)置邊界條件,兩個(gè)大面(10mm×20mm)為水對(duì)流換熱,其他面為空氣對(duì)流冷卻。在Ansys的Insert Convection中設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)(Film Coefficient)和周邊溫度(Ambient Temperature)。進(jìn)行完參數(shù)設(shè)置后,點(diǎn)擊Solution中的Solve命令,就可以看到分析結(jié)果。圖1所示的是不同厚度的板條結(jié)構(gòu)Nd:YAG的溫度分布圖,從分析結(jié)果可以看出,在相同的泵浦和冷卻條件下,當(dāng)板條厚度由3mm降到1mm,中心最高溫度由353.84K降到308.93K,結(jié)果表明,降低板條的厚度可有效改善晶體內(nèi)部的熱分布。完成溫度分布分析后,還可以進(jìn)行熱應(yīng)力的分析。
利用Ansys Workbench的熱力學(xué)分析模塊可以直觀的看到晶體內(nèi)部的熱分布,本文以板條結(jié)構(gòu)的Nd:YAG為例,介紹了利用Ansys Workbench對(duì)激光介質(zhì)進(jìn)行溫度分布的過程,其結(jié)果對(duì)固體激光器的設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。
參考文獻(xiàn)
[1] (美)Koechner W.固體激光工程[M].北京:科學(xué)出版社,2002.
[2] 陳艷霞,陳磊.ANSYS Workbench工程應(yīng)用案例精通[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.
[3] 甘啟俊,姜本學(xué),張攀德,等.高平均功率固體激光器研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2017,54(1):23-33.
[4] 周炳坤,高以智,陳倜嶸,等.激光原理[M].7版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2016.