基于ANSYS的激光晶體熱效應仿真研究

周宗仁

摘要：為定量研究激光晶體截面長度與截面大小對晶體熱效應的影響，用有限元方法建立激光晶體熱模型，并用ANSYS軟件設定相關參數，分析不同長度、不同截面YV04/Nd：YV04、GdVOdNd：GdV04復合激光晶體的溫度分布情況。分析結果表明，當復合晶體截面大小為3x3mm2時，摻雜晶體長度從3mm增加到6mm，YVO4/Nd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4復合晶體中心最高溫度分別下降了2.71°C和2.25°C;當復合晶體中摻雜晶體長度為3mm時，復合晶體截面大小從1x1mm²增加到3x3mm²，YVO4/Nd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4復合晶體中心最高溫度分別下降超過13℃和29℃。根據基于ANSYS的有限元方法分析得出，選擇截面面積較大、摻雜晶體長度較長的復合晶體能夠一定程度上改善激光器溫度特性。

關鍵詞：ANSYS;有限元分析;復合晶體;晶體熱效應

DOI：10.11907/rjdk.191192

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0093-05

0引言

LD抽運的全固態激光器以其結構緊湊、效率高、穩定性好、壽命長等優點，成為激光領域研究的熱點之一。激光晶體的光學、熱力學和機械性能很大程度上決定了激光器的效率、輸出光束質量及穩定性。激光器在工作時，由于一部分泵浦能量轉化為熱能，從而在晶體內部形成溫度與折射率梯度分布，造成晶體端面形變，這種熱透鏡效應會嚴重影響激光器性能。改善激光器熱效應較為有效的方法之一是使用摻雜晶體和非摻雜晶體結合形成的復合晶體。復合晶體概念首次由Bowman等提出，其研究發現當半導體側泵帶有無摻雜端的Tm/Ho：YAG復合晶體時，其最大輸出功率是非復合晶體的2倍。在國內，采用擴散鍵合技術實現的結果有：LD泵浦YV04/Nd：GdVO4晶體獲得879nm連續激光輸出，輸出功率達到14.8w;LD泵浦的Nd：LuVO4復合晶體實現連續激光運轉，得到最大輸出功率為17.2W;LD泵浦的YV04/Nd：YVO4晶體激光器得到13.3W的連續輸出功率。研究表明，復合晶體可以有效緩解晶體內部熱效應，得到穩定的功率輸出。對于摻Nd³⁺激光晶體熱效應已進行了很多理論研究，然而復合晶體中摻雜晶體長度及復合晶體截面大小對激光器熱效應影響的相關報道仍然較少。本文對LD端面抽運、側邊熱沉冷卻的復合晶體激光器工作特點進行分析，通過建立復合晶體激光器工作時的熱傳導理論模型，用有限元方法和ANSYS軟件研究YVOdNd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4兩種復合晶體中摻雜晶體長度與截面大小對復合晶體熱效應的影響，并進行定量分析。

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理論分析

摻Nd³⁺的Nd：YVO4、Nd：GdVO4晶體入射端覆蓋有一個截面面積相同、長度為2ram的基質晶體，形成復合晶體。LD激光沿YVO4/Nd：YVO4、GdVO4/Nd：GdVO4復合晶體端面中心泵浦，復合晶體中的摻雜晶體吸收泵浦光一部分熱能。復合晶體外部被鋁塊包裹，通過溫控和水循環形成外部冷卻裝置控制鋁塊溫度。復合晶體大部分熱量被冷卻裝置帶走，小部分通過與空氣的接觸面流失。圖1給出了以YVO4/Nd：YVO4為例的復合晶體幾何結構。

為了使泵浦光功率密度得到最大程度的利用，保持泵浦光與LD模式一致。實驗中泵浦光光腰與光斑半徑相差不大，因此近似認為復合端面處泵浦光光斑半徑大小與光腰半徑一致。

3結語

本文利用有限元分析及ANSYS軟件，研究了激光晶體長度與橫截面積對熱穩態下YVO4/Nd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4復合晶體中心溫度的影響。通過定量分析發現，在15W泵浦功率下，增加激光晶體長度與截面大小都能夠有效降低晶體熱效應，從而優化DPSSL的激光輸出功率，增強其可靠性，為進一步設計熱性能更好、輸出頻譜更適合的激光器提供了理論依據。ANSYS及有限元研究方法在熱力學仿真分析方面具有高效、準確的優勢，可為實際工程設計提供理論指導，因此在未來研究工作中將得到進一步應用與發展。