專利名稱：一種側面泵浦螺紋型固體激光介質有限元熱分析方法
技術領域：
本發明涉及一種側面泵浦螺紋型固體激光介質有限元熱分析方法，屬于激光物理領域。
背景技術：
半導體側面泵浦固體激光器具有轉換效率高、光束質量好、輸出功率高及體積小等諸多優點，在工業、國防等領域得到了廣泛的應用。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化成熱量，造成激光晶體的熱透鏡效應，破壞了激光器的輸出特性。為了獲得高功率、高轉換效率以及高光束質量的激光輸出，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，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都將發生變化。由于對激光介質進行有效的熱管理是激光器穩定工作的關鍵，而對激光介質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。
發明內容
本發明的目的在于提供一種側面泵浦螺紋型固體激光介質有限元熱分析方法。該方法根據泵浦功率、環繞泵浦陣列個數、冷卻液流速及實驗器件參數利用有限元分析軟件模擬求解激光晶體穩態工作時內部的溫度分布情況，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部轉化生熱區域，實現模型的建立。根據固體激光介質的折射率η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等效為棒狀介質，根據泵浦功率與被晶體吸收的泵浦功率之間的關系Pab = Pin[l-exp(-a 1)](1)式中Pin和Pab分別代表泵浦功率和被吸收的功率，α為吸收系數，1為固體激光介質棒的長度。根據式(1)計算光的傳播深度，在確定泵浦能量在晶體內部轉化生熱區域時，要優化選擇泵浦光衰減路徑，以實現建模。第二步計算加載區生熱率，確定泵浦能量轉化生熱對固體激光介質熱效應的影響，實現對晶固體激光介質內部生熱率的加載。根據所建模型計算加載區體積，熱源分布的一般表達式Pabsorb UabsorbPpump(2)Pheat 一 rLheatPpumprLabsorb(3)式中nabs。A為吸收泵浦光的效率，為吸收泵浦能量轉化生熱的效率。
根據式( 和式( 計算加載區生熱率。第三步，利用相應的環隙經驗公式計算環隙對流系數，以實現對固體激光介質表面對流換熱系數的加載。對于 Pr >5.0，有
權利要求
1.本發明提供了一種側面泵浦螺紋型固體激光介質有限元熱分析方法，其特征在于根據給定的泵浦功率、環繞泵浦陣列個數、冷卻系統中的冷卻液流速及實驗器件參數的條件模擬出螺紋型激光晶體穩態工作時內部的溫度分布情況。
2.如權利要求1所述的一種側面泵浦螺紋型固體激光介質有限元熱分析方法，其特征在于采取如下步驟第一步計算光傳播深度，確定泵浦能量在晶體內部轉化生熱區域，實現模型的建立；第二步計算加載區聲熱率，確定泵浦能量轉化生熱對晶體熱效應的影響，實現對晶體內部生熱率的加載；第三步計算環隙對流系數，確定水冷系統對晶體的影響，實現晶體表面對流換熱系數的加載；第四步用有限元分析軟件求解并查看結果。
3.如權利要求1所述的一種側面泵浦螺紋型固體激光介質有限元熱分析方法，其特征在于，所述的泵浦功率為LD均勻平行側面發射到螺紋型激光晶體上的功率。
4.如權利要求1所述的一種側面泵浦螺紋型固體激光介質有限元熱分析方法，其特征在于，所述的環繞泵浦陣列個數為LD泵浦源從多個方向均勻泵浦螺紋型激光晶體。
5.如權利要求1所述的一種側面泵浦螺紋型固體激光介質有限元熱分析方法，其特征在于，所述的冷卻系統中冷卻液流速為冷卻液在激光晶體表面流動的速度。
6.如權利要求1所述的一種側面泵浦螺紋型固體激光介質有限元熱分析方法，其特征在于，所述的冷卻系統中冷卻水的參數包括密度、粘度、導熱系數和定壓比熱。
全文摘要
本發明公開了一種利用ANSYS對LD側面泵浦的螺紋型NdYAG激光晶體進行熱特性分析的方法，屬于激光技術領域。該方法是一種在計算機上對LD側面泵浦的螺紋型NdYAG激光晶體的真實工作狀態進行模擬仿真，從而達到對螺紋型激光介質熱特性進行分析研究的目的。分析步驟包括計算光傳播深度，確定泵浦能量在晶體內部轉化生熱區域，實現模型的建立；計算加載區生熱率，確定泵浦能量轉化生熱對晶體的影響，實現對晶體內部生熱率的加載；計算環隙對流系數，確定水冷系統對晶體的影響，實現晶體表面對流換熱系數的加載；用ANSYS求解并查看結果。本發明的有益效果為能在給定泵浦功率、環繞泵浦陣列個數、冷卻水流速及實驗器件參數的條件下模擬出螺紋型NdYAG激光晶體穩態工作時內部的溫度分布情況，從而在熱管理方面為激光器能穩定工作提供了依據。
文檔編號G06F17/50GK102495931SQ20111041533
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者付秀華, 房丹, 方芳, 方鉉, 李金華, 王曉華, 王菲, 翁永超, 魏志鵬 申請人:長春理工大學