专利名称：一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法
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η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Pab = Pin[l-exp(-a 1)](1)式中Pin和Pab分别代表泵浦功率和被吸收的功率，α为吸收系数，1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Pabsorb UabsorbPpump(2)Pheat 一 rLheatPpumprLabsorb(3)式中nabs。A为吸收泵浦光的效率，为吸收泵浦能量转化生热的效率。
根据式( 和式( 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
权利要求
1.本发明提供了一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法，其特征在于根据给定的泵浦功率、环绕泵浦阵列个数、冷却系统中的冷却液流速及实验器件参数的条件模拟出螺纹型激光晶体稳态工作时内部的温度分布情况。
2.如权利要求1所述的一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法，其特征在于采取如下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；第二步计算加载区声热率，确定泵浦能量转化生热对晶体热效应的影响，实现对晶体内部生热率的加载；第三步计算环隙对流系数，确定水冷系统对晶体的影响，实现晶体表面对流换热系数的加载；第四步用有限元分析软件求解并查看结果。
3.如权利要求1所述的一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法，其特征在于，所述的泵浦功率为LD均勻平行侧面发射到螺纹型激光晶体上的功率。
4.如权利要求1所述的一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法，其特征在于，所述的环绕泵浦阵列个数为LD泵浦源从多个方向均勻泵浦螺纹型激光晶体。
5.如权利要求1所述的一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法，其特征在于，所述的冷却系统中冷却液流速为冷却液在激光晶体表面流动的速度。
6.如权利要求1所述的一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法，其特征在于，所述的冷却系统中冷却水的参数包括密度、粘度、导热系数和定压比热。
全文摘要
本发明公开了一种利用ANSYS对LD侧面泵浦的螺纹型NdYAG激光晶体进行热特性分析的方法，属于激光技术领域。该方法是一种在计算机上对LD侧面泵浦的螺纹型NdYAG激光晶体的真实工作状态进行模拟仿真，从而达到对螺纹型激光介质热特性进行分析研究的目的。分析步骤包括计算光传播深度，确定泵浦能量在晶体内部转化生热区域，实现模型的建立；计算加载区生热率，确定泵浦能量转化生热对晶体的影响，实现对晶体内部生热率的加载；计算环隙对流系数，确定水冷系统对晶体的影响，实现晶体表面对流换热系数的加载；用ANSYS求解并查看结果。本发明的有益效果为能在给定泵浦功率、环绕泵浦阵列个数、冷却水流速及实验器件参数的条件下模拟出螺纹型NdYAG激光晶体稳态工作时内部的温度分布情况，从而在热管理方面为激光器能稳定工作提供了依据。
文档编号G06F17/50GK102495931SQ20111041533
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者付秀华, 房丹, 方芳, 方铉, 李金华, 王晓华, 王菲, 翁永超, 魏志鹏 申请人:长春理工大学