[发明专利]一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法，属于激光物理领域。

背景技术

半导体侧面泵浦固体激光器具有转换效率高、光束质量好、输出功率高及体积小等诸多优点，在工业、国防等领域得到了广泛的应用。由于激光二极管泵浦Nd：YAG激光棒时，泵浦光能量的很大一部分转化成热量，造成激光晶体的热透镜效应，破坏了激光器的输出特性。

为了获得高功率、高转换效率以及高光束质量的激光输出，研究人员分别采用棒状、板条状、管状及薄片等激光晶体作为激光介质，并对其热特性进行了分析。近年来，研究人员又提出了采用螺纹状激光晶体作为激光介质的想法。与普通棒相比，刻螺纹激光晶体的表面积和表面冷却换热系数都将发生变化。

由于对激光介质进行有效的热管理是激光器稳定工作的关键，而对激光介质的热特性进行分析是激光器有效热管理的前提。因此，对于螺纹状Nd：YAG激光晶体的热特性进行有限元分析是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法。该方法根据泵浦功率、环绕泵浦阵列个数、冷却液流速及实验器件参数利用有限元分析软件模拟求解激光晶体稳态工作时内部的温度分布情况，为激光器的有效热管理提供了帮助。

该方法包括下列步骤：

第一步，计算光传播深度，确定泵浦能量在晶体内部转化生热区域，实现模型的建立。根据固体激光介质的折射率n确定光的传播方向，在研究光传播方向时，将螺纹型固体激光介质等效为棒状介质，根据泵浦功率与被晶体吸收的泵浦功率之间的关系：

P_ab＝P_in[1-exp(-αl)]             (1)

式中P_in和P_ab分别代表泵浦功率和被吸收的功率，α为吸收系数，l为固体激光介质棒的长度。

根据式(1)计算光的传播深度，在确定泵浦能量在晶体内部转化生热区域时，要优化选择泵浦光衰减路径，以实现建模。

第二步计算加载区生热率，确定泵浦能量转化生热对固体激光介质热效应的影响，实现对晶固体激光介质内部生热率的加载。

根据所建模型计算加载区体积，热源分布的一般表达式：

P_absorb＝η_absorbP_pump            (2)

P_heat＝η_heatP_pumpη_absorb        (3)

式中η_absorb为吸收泵浦光的效率，η_heat为吸收泵浦能量转化生热的效率。

根据式(2)和式(3)计算加载区生热率。

第三步，利用相应的环隙经验公式计算环隙对流系数，以实现对固体激光介质表面对流换热系数的加载。

对于Pr＞5.0，有

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

对于0.7＜Pr＜5.0，有

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