AnsysWorkbench在固體激光器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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(wèn)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(lái)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)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。

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