基于ANSYS的激光晶體熱效應(yīng)仿真研究

周宗仁

摘要：為定量研究激光晶體截面長(zhǎng)度與截面大小對(duì)晶體熱效應(yīng)的影響，用有限元方法建立激光晶體熱模型，并用ANSYS軟件設(shè)定相關(guān)參數(shù)，分析不同長(zhǎng)度、不同截面YV04/Nd：YV04、GdVOdNd：GdV04復(fù)合激光晶體的溫度分布情況。分析結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合晶體截面大小為3x3mm2時(shí)，摻雜晶體長(zhǎng)度從3mm增加到6mm，YVO4/Nd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4復(fù)合晶體中心最高溫度分別下降了2.71°C和2.25°C;當(dāng)復(fù)合晶體中摻雜晶體長(zhǎng)度為3mm時(shí)，復(fù)合晶體截面大小從1x1mm²增加到3x3mm²，YVO4/Nd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4復(fù)合晶體中心最高溫度分別下降超過(guò)13℃和29℃。根據(jù)基于ANSYS的有限元方法分析得出，選擇截面面積較大、摻雜晶體長(zhǎng)度較長(zhǎng)的復(fù)合晶體能夠一定程度上改善激光器溫度特性。

關(guān)鍵詞：ANSYS;有限元分析;復(fù)合晶體;晶體熱效應(yīng)

DOI：10.11907/rjdk.191192

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）012-0093-05

0引言

LD抽運(yùn)的全固態(tài)激光器以其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為激光領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。激光晶體的光學(xué)、熱力學(xué)和機(jī)械性能很大程度上決定了激光器的效率、輸出光束質(zhì)量及穩(wěn)定性。激光器在工作時(shí)，由于一部分泵浦能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而在晶體內(nèi)部形成溫度與折射率梯度分布，造成晶體端面形變，這種熱透鏡效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響激光器性能。改善激光器熱效應(yīng)較為有效的方法之一是使用摻雜晶體和非摻雜晶體結(jié)合形成的復(fù)合晶體。復(fù)合晶體概念首次由Bowman等提出，其研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)半導(dǎo)體側(cè)泵帶有無(wú)摻雜端的Tm/Ho：YAG復(fù)合晶體時(shí)，其最大輸出功率是非復(fù)合晶體的2倍。在國(guó)內(nèi)，采用擴(kuò)散鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)的結(jié)果有：LD泵浦YV04/Nd：GdVO4晶體獲得879nm連續(xù)激光輸出，輸出功率達(dá)到14.8w;LD泵浦的Nd：LuVO4復(fù)合晶體實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光運(yùn)轉(zhuǎn)，得到最大輸出功率為17.2W;LD泵浦的YV04/Nd：YVO4晶體激光器得到13.3W的連續(xù)輸出功率。研究表明，復(fù)合晶體可以有效緩解晶體內(nèi)部熱效應(yīng)，得到穩(wěn)定的功率輸出。對(duì)于摻Nd³⁺激光晶體熱效應(yīng)已進(jìn)行了很多理論研究，然而復(fù)合晶體中摻雜晶體長(zhǎng)度及復(fù)合晶體截面大小對(duì)激光器熱效應(yīng)影響的相關(guān)報(bào)道仍然較少。本文對(duì)LD端面抽運(yùn)、側(cè)邊熱沉冷卻的復(fù)合晶體激光器工作特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過(guò)建立復(fù)合晶體激光器工作時(shí)的熱傳導(dǎo)理論模型，用有限元方法和ANSYS軟件研究YVOdNd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4兩種復(fù)合晶體中摻雜晶體長(zhǎng)度與截面大小對(duì)復(fù)合晶體熱效應(yīng)的影響，并進(jìn)行定量分析。

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理論分析

摻Nd³⁺的Nd：YVO4、Nd：GdVO4晶體入射端覆蓋有一個(gè)截面面積相同、長(zhǎng)度為2ram的基質(zhì)晶體，形成復(fù)合晶體。LD激光沿YVO4/Nd：YVO4、GdVO4/Nd：GdVO4復(fù)合晶體端面中心泵浦，復(fù)合晶體中的摻雜晶體吸收泵浦光一部分熱能。復(fù)合晶體外部被鋁塊包裹，通過(guò)溫控和水循環(huán)形成外部冷卻裝置控制鋁塊溫度。復(fù)合晶體大部分熱量被冷卻裝置帶走，小部分通過(guò)與空氣的接觸面流失。圖1給出了以YVO4/Nd：YVO4為例的復(fù)合晶體幾何結(jié)構(gòu)。

為了使泵浦光功率密度得到最大程度的利用，保持泵浦光與LD模式一致。實(shí)驗(yàn)中泵浦光光腰與光斑半徑相差不大，因此近似認(rèn)為復(fù)合端面處泵浦光光斑半徑大小與光腰半徑一致。

3結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元分析及ANSYS軟件，研究了激光晶體長(zhǎng)度與橫截面積對(duì)熱穩(wěn)態(tài)下YVO4/Nd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4復(fù)合晶體中心溫度的影響。通過(guò)定量分析發(fā)現(xiàn)，在15W泵浦功率下，增加激光晶體長(zhǎng)度與截面大小都能夠有效降低晶體熱效應(yīng)，從而優(yōu)化DPSSL的激光輸出功率，增強(qiáng)其可靠性，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)熱性能更好、輸出頻譜更適合的激光器提供了理論依據(jù)。ANSYS及有限元研究方法在熱力學(xué)仿真分析方面具有高效、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，因此在未來(lái)研究工作中將得到進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。