[發(fā)明專利]一種側(cè)面泵浦螺紋型固體激光介質(zhì)有限元熱分析方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110415331.8
• 申請日: 2011-12-14
• 公開（公告）號: CN102495931A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王菲;翁永超;王曉華;付秀華;房丹;方鉉;魏志鵬;李金華;方芳
• 申請（專利權(quán)）人: 長春理工大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種側(cè)面泵浦螺紋型固體激光介質(zhì)有限元熱分析方法，屬于激光物理領(lǐng)域。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體側(cè)面泵浦固體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、輸出功率高及體積小等諸多優(yōu)點，在工業(yè)、國防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于激光二極管泵浦Nd：YAG激光棒時，泵浦光能量的很大一部分轉(zhuǎn)化成熱量，造成激光晶體的熱透鏡效應(yīng)，破壞了激光器的輸出特性。

為了獲得高功率、高轉(zhuǎn)換效率以及高光束質(zhì)量的激光輸出，研究人員分別采用棒狀、板條狀、管狀及薄片等激光晶體作為激光介質(zhì)，并對其熱特性進行了分析。近年來，研究人員又提出了采用螺紋狀激光晶體作為激光介質(zhì)的想法。與普通棒相比，刻螺紋激光晶體的表面積和表面冷卻換熱系數(shù)都將發(fā)生變化。

由于對激光介質(zhì)進行有效的熱管理是激光器穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，而對激光介質(zhì)的熱特性進行分析是激光器有效熱管理的前提。因此，對于螺紋狀Nd：YAG激光晶體的熱特性進行有限元分析是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種側(cè)面泵浦螺紋型固體激光介質(zhì)有限元熱分析方法。該方法根據(jù)泵浦功率、環(huán)繞泵浦陣列個數(shù)、冷卻液流速及實驗器件參數(shù)利用有限元分析軟件模擬求解激光晶體穩(wěn)態(tài)工作時內(nèi)部的溫度分布情況，為激光器的有效熱管理提供了幫助。

該方法包括下列步驟：

第一步，計算光傳播深度，確定泵浦能量在晶體內(nèi)部轉(zhuǎn)化生熱區(qū)域，實現(xiàn)模型的建立。根據(jù)固體激光介質(zhì)的折射率n確定光的傳播方向，在研究光傳播方向時，將螺紋型固體激光介質(zhì)等效為棒狀介質(zhì)，根據(jù)泵浦功率與被晶體吸收的泵浦功率之間的關(guān)系：

P_ab＝P_in[1-exp(-αl)]?????????????(1)

式中P_in和P_ab分別代表泵浦功率和被吸收的功率，α為吸收系數(shù)，l為固體激光介質(zhì)棒的長度。

根據(jù)式(1)計算光的傳播深度，在確定泵浦能量在晶體內(nèi)部轉(zhuǎn)化生熱區(qū)域時，要優(yōu)化選擇泵浦光衰減路徑，以實現(xiàn)建模。

第二步計算加載區(qū)生熱率，確定泵浦能量轉(zhuǎn)化生熱對固體激光介質(zhì)熱效應(yīng)的影響，實現(xiàn)對晶固體激光介質(zhì)內(nèi)部生熱率的加載。

根據(jù)所建模型計算加載區(qū)體積，熱源分布的一般表達式：

P_absorb＝η_absorbP_pump????????????(2)

P_heat＝η_heatP_pumpη_absorb????????(3)

式中η_absorb為吸收泵浦光的效率，η_heat為吸收泵浦能量轉(zhuǎn)化生熱的效率。

根據(jù)式(2)和式(3)計算加載區(qū)生熱率。

第三步，利用相應(yīng)的環(huán)隙經(jīng)驗公式計算環(huán)隙對流系數(shù)，以實現(xiàn)對固體激光介質(zhì)表面對流換熱系數(shù)的加載。

對于Pr＞5.0，有

Nu=0.02Re0.8Pr13(d2/d1)0.53---(4)]]>

對于0.7＜Pr＜5.0，有

Nu＝0.0142Re^0.8Pr^0.53(D₂/D₁)^0.53；??????(5)