AnsysWorkbench在固體激光器設計中的應用

程小勁

摘 要：為了更直觀理解固體激光器中的熱分布，借助Ansys Workbench有限元分析軟件對不同厚度板條結構Nd：YAG晶體的溫度分布進行了分析，揭示了Ansys Workbench在固體激光器熱分析中的作用，分析結果對固體激光器的設計有重要參考意義。

關鍵詞：Ansys Workbench 固體激光器 熱分析

中圖分類號：TN248.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0067-02

盡管近些年光纖激光器、半導體激光器的快速發展使得固體激光器在平均輸出功率上的優勢縮小，但在高脈沖能量、高峰值功率上，固體激光器仍然具有明顯的優勢，使得固體激光器在科研、醫療和軍事等領域有著廣泛的應用。熱效應是固體激光器設計時必須要優先考慮的問題，由于量子虧損等原因，在固體激光器中，泵浦光抽運固體激光介質時會產生一定的熱，為了降低激光介質的溫度，需要對激光介質表面進行冷卻，因此激光介質內部到表面會有一定的溫度差，溫差的存在會導致熱應力和熱致雙折射，從而影響固體激光器的效率和光束質量。因此在設計固體激光器時，必須根據泵浦方式和冷卻條件的不同對激光介質進行詳細的熱分析，并根據結果選擇合理的激光介質尺寸、泵浦和冷卻結構。在三維直角坐標系中，激光介質的溫度分布可以由熱傳導方程來描述，當激光晶體處于熱平衡時，熱傳導方程可以表達成：

（1）

其中，Q為單位體積內產生的熱量，k為激光介質的導熱系數，再根據冷卻條件設置對應的邊界條件，一般常見的邊界條件有傳導、對流、輻射和隔熱。對于一維熱分布，我們一般可以直接根據熱傳導方程和邊界條件計算出溫度分布，但當考慮的溫度分布大于一維時，用解析法直接求解熱傳導方程是比較困難的，所幸計算機技術的快速發展為多維溫度分布的計算提供了較好的方法。Ansys Workbench是美國Ansys公司研制的大型通用有限元分析軟件，利用Ansys Workbench，我們可以對材料進行穩態和瞬態熱分析。下面將以Nd：YAG板條激光器為例，利用Ansys Workbench 軟件分析了不同厚度下板條晶體的溫度分布。

Ansys Workbench分析激光介質熱分布分成以下幾個步驟：（1）建模：可以在Ansys軟件中建模，也可以導入其他三維軟件（Solidworks，Pro/E等）中的模型；（2）材料屬性設置：設置激光介質的熱導率、彈性模量等參數；（3）網格劃分：劃分約精細，結果越準確，但所需計算時間也越長；（4）加熱載：在晶體內部加入熱載，并根據冷卻方式確定邊界條件；5結果后處理。

表1為實際的熱分析過程中用到的主要參數，Nd：YAG的熱傳導系數為14W/mK。為了比較不同厚度的晶體的熱分布的差異，我們選了1mm，2mm和3mm共3種厚度的板條，而在寬度和長度方向，選用了相同的尺寸，每種板條承受的熱載均為200W。在三維建模方面，專業的三維軟件（Solidworks，Pro/E等）比Ansys自帶的建模功能要強大，使用也更方便，所以我們先在Solidworks里面建模，再通過Ansys Workbench的Import Geometry將模型導入到Ansys中。完成建模后，需要設置材料的參數，對于熱分析來說，導熱系數、泊松比和熱膨脹系數是與熱分布（溫度、熱應力和熱致雙折射）關系比較密切的參數，其數值可以通過相關文獻獲得。網格劃分是有限元分中非常重要的環節，網格劃分要兼顧精度和效率。進行完網格劃分后，需要對模型施加載荷和約束。在本例熱分析中，首先通過Internal Heat Generation命令給板條激光介質施加200W的熱功率，然后需要對激光介質的每個面設置邊界條件，兩個大面（10mm×20mm）為水對流換熱，其他面為空氣對流冷卻。在Ansys的Insert Convection中設置對流換熱系數（Film Coefficient）和周邊溫度（Ambient Temperature）。進行完參數設置后，點擊Solution中的Solve命令，就可以看到分析結果。圖1所示的是不同厚度的板條結構Nd：YAG的溫度分布圖，從分析結果可以看出，在相同的泵浦和冷卻條件下，當板條厚度由3mm降到1mm，中心最高溫度由353.84K降到308.93K，結果表明，降低板條的厚度可有效改善晶體內部的熱分布。完成溫度分布分析后，還可以進行熱應力的分析。

利用Ansys Workbench的熱力學分析模塊可以直觀的看到晶體內部的熱分布，本文以板條結構的Nd：YAG為例，介紹了利用Ansys Workbench對激光介質進行溫度分布的過程，其結果對固體激光器的設計具有重要的參考意義。

參考文獻

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