基于对流传热模型的LD端面泵浦圆形激光晶体的热效应研究

通过对半导体端面泵浦棒状Nd∶YAG晶体的热效应进行了理论分析,研究了端面抽运圆形截面激光晶体内部温度场,建立了符合条件的激光晶体热模型。考虑晶体侧面与冷却液之间的对流传热,以及晶体端面与外界非绝热边界条件,从而建立更为合理的边界条件,得出更符合实际的晶体的温度分布场。研究结果表明,考虑端面的对流传热后,计算的晶体中心温度降低,而相应的热焦距稍有增加;空气传热系数增加时,晶体中心温度明显降低,热焦距显著增加,减弱了晶体热效应。     

基于侧面热对流的LD泵浦Yb:KGd(WO4)2热透镜效应研究

基于对LD端面泵浦Yb∶KGW激光晶体工作特点的分析,建立了符合条件的激光晶体热模型.考虑晶体侧面的热对流,运用MATLAB和FORTRAN软件,通过有限差分法求解各向异性介质热传导方程,得到了该晶体的温度场分布、端面热形变分布和不同泵浦功率下的热焦距.结果表明:在泵浦功率为14 W时,泵浦面最高温度达272.8℃、最...     

双端抽运热容激光器温度特性分析

通过对激光二级管阵列双端抽运热容激光器晶体的分析,建立了热传导模型及边界条件.利用有限元方法模拟了晶体的温度场分布,并分别对抽运光斑直径、抽运持续时间、抽运光强和晶体端面尺寸等因素对温度场分布的影响进行了分析,得到了热容工作模式下的激光器温度特性.结果表明,晶体端面温差随抽运光斑直径的增大先增后减,存在一个极大值,并且在不同抽运光强下,出现端面温差极大点时的抽运光斑直径不变.     

空气导热作用下Nd:YAG晶体温场特性

为了实现激光二极管端面泵浦Nd:YAG晶体温度场的精确计算,在晶体端面导热边界条件下建立热模型。首先根据热传导方程,以解析分析理论为基础,应用常数变易法和特征函数法,在考虑晶体端面存在热交换情况下,计算得到808 nm激光泵浦Nd:YAG圆棒晶体的温度场分布,分析了泵浦激光功率、光束半径及超高阶次等因素对晶体温度场分布的影响。分析结果表明:当功率为60 W、光斑半径为0. 4 mm的泵浦光作用于半径为1. 5 mm,长度为5 mm的Nd:YAG圆棒晶体时,该晶体内部最高温升出现在泵浦端面中心处,最高温升为426. 3 K,得到晶体的热透镜焦距为272. 98 mm。由于在计算中考虑了空气的导热作用对晶体温度场分布的影响,更符合实际情况,因此结果能更真实反映晶体内部温度场的分布情况。本文研究为精确分析相关激光晶体的温度场分布提供了指导,并为激光器性能的优化提供了理论依据。     

第三类热边界条件对激光晶体热效应的影响

以各向异性半解析热分析理论为基础,研究矩形横截面Nd∶YVO4激光晶体在有第三类热边界条件工作时,激光晶体温度场分布和晶体抽运面热形变分布.通过激光晶体工作特点分析,建立符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的半解析求解方法,得出了矩形截面Nd∶YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明：当使用输出功率为15 W半导体激光器端面中心入射Nd∶YVO4晶体（晶体掺钕离子质量分数为0.5%）时,在抽运端面中心获得499.5 K最高温度和0.99 μm最大热形变量.和将第三类热边界条件近似为第二类热边界条件的通用做法相比更准确.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

第三类热边界条件对激光晶体热效应的影响

以各向异性半解析热分析理论为基础,研究矩形横截面Nd:YVO4激光晶体在有第三类热边界条件工作时,激光晶体温度场分布和晶体抽运面热形变分布.通过激光晶体工作特点分析,建立符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的半解析求解方法,得出了矩形截面Nd:YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明:当使用输出功率为15 W半导体激光器端面中心入射Nd:YVO4晶体(晶体掺钕离子质量分数为0.5%)时,在抽运端面中心获得499.5 K最高温度和0.99 μm最大热形变量.和将第三类热边界条件近似为第二类热边界条件的通用做法相比更准确.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

LD端面泵浦矩形Yb:YAG晶体热效应研究

建立了激光晶体热传导模型。通过求解泊松方程,得到了不同Yb3+离子掺杂浓度的Yb:YAG晶体内温度场分布及由此引起的光程差和热焦距,求出了在不同泵浦半径下的端面温度分布。研究结果表明:随着Yb3+离子掺杂浓度的增加,Yb:YAG晶体端面中心温度升高,晶体中心轴温度衰减加快,热焦距变小;随着泵浦光斑半径的增大,晶体端面中心温度降低。这一结论对改善Yb:YAG晶体热效应提供了理论依据。     

激光二极管端面泵浦Yb:YAG圆棒热效应研究

基于激光二极管端面泵浦Yb∶YAG棒工作特点的分析,提出了端面绝热、周边恒温的激光晶体热分析模型,采用了一种新的热传导方程求解方法,得到了超高斯光束端面泵浦Yb∶YAG棒温度场的一般解析表达式。同时分析了不同阶次、不同光斑半径、不同功率超高斯光束以及晶体参数改变时对于Yb∶YAG棒温度场分布的影响。研究结果表明,若准直聚焦到Yb∶YAG棒泵浦面42.5W的光束具有4阶超高斯强度分布时,掺Yb3+质量分数为10.0at.%、长度为2.5mm、半径为2mm的Yb∶YAG棒的泵浦面获得74.20℃的最高温升。新的热传导方程求解方法在研究激光棒温度场分布方面具有计算量小、精度高等特点。研究结果对减小激光晶体的热效应,提高全固态Yb∶YAG激光器性能提供了理论依据。     

端面抽运激光晶体热形变及温度场分布研究

用有限元方法研究了端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的温度和端面热形变分布规律.研究表明,激光晶体的端面热形变分为端面伸长形变和鼓出形变两种,晶体的热形变透镜效应是由鼓出形变引起的.在端面抽运的Nd∶YAG晶体中采用第三类热传导边界条件,实验测量了晶体的端面伸长和端面鼓出形变,结果与理论分析相一致.     

高功率半导体激光端面泵浦方形掺Nd3+离子激光晶体热形变研究

为了解决高功率半导体激光器端面泵浦激光晶体引起的热效应问题,激光晶体泵浦端面的热形变必须进行准确的计算.通过对于全固态激光器中激光晶体的工作特点分析,建立了矩形截面激光晶体热分析模型.基于热传导方程,提出了泊松方程的一种新解,并获得了矩形截面激光晶体端面热形变分布的一般解析表达式.同时讨论了半导体激光器偏心泵浦激光晶体给端面热形变带来的影响.与有限元分析方法以及其他数值分析方法相比,解析分析方法不会给计算引入任何的误差.热形变的解析分析为解决激光晶体的热效应问题以及提高激光器的性能提供了理论的依据.     

LD端面泵浦变热导率方形Yb∶YAG微片晶体热效应

针对激光二极管端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体产生的热效应问题,运用半解析方法计算该晶体的温场分布。根据连续LD端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体的工作特性,建立符合实际工作情况的热模型,构造初始条件和边界条件。同时考虑到晶体的热导率是温度的函数,并结合牛顿法求解热传导方程,得到晶体温度场的一般解析表达式。定量分析了不同的泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体厚度因素对变热导率方形Yb∶YAG微片晶体温度场的影响。结果表明:使用泵浦功率为80 W、超高斯阶次为1、光斑半径为400 m的泵浦光对含方形Yb∶YAG微片晶体质量分数为8.0%、晶体的尺寸为431 mm3进行泵浦,将晶体的热导率视为常量和变量时,泵浦端面获得的最大温升分别为41.25 ℃和52.14 ℃。研究结果对减小全固态Yb∶YAG晶体的热效应问题具有指导意义。     

激光辐照下固体材料的温度分布理论研究

 考虑到有限厚介质的表面热对流，利用格林函数方法理论计算了强激光作用下介质材料的3维温度分布，给出了温升与材料尺寸的关系式及其关系曲线。以单晶硅材料为例进行了模拟计算，结果表明：温升不仅与材料本身的性质（热容，热导率，密度）密切相关，而且还与材料的吸收系数，激光加热参数（功率密度，能量分布，光斑大小，作用时间），以及对流换热系数有关。在激光照射的初始阶段，材料表面温度迅速增加；其后，随着激光照射时间的增加，温度增加量逐步变缓。     

LD端面泵浦不同掺杂离子YAG晶体的热效应研究

通过建立激光晶体热传导模型,针对相同基质YAG晶体不同掺杂离子,求解泊松方程,得到不同Nd3+和Yb3+掺杂浓度的YAG晶体内温度场分布,并进行了对比分析。研究结果表明:在相同条件下,随着Nd3+和Yb3+掺杂浓度的增加,YAG晶体端面中心温度升高,晶体中心轴温度衰减越快,热焦距越小;当Yb3+掺杂浓度达到Nd3+掺杂浓度的近10倍时,热效应基本相同。这一结论为降低同基质晶体的热效应提供了理论依据。     

端面抽运方形复合YAG温度场及热透镜研究

采用数值方法研究了方形截面复合Nd∶YAG激光晶体棒在端面抽运情况下的温度分布及热透镜效应,得到复合激光晶体内温度场的数值解和径向温度梯度引起的轴向传播光相位延迟分布ΔΦT(r),并与同条件下普通晶体的结果进行了比较.结果表明,吸收系数越大,两种晶体中最高温度相差也越大.采用复合晶体可以大幅度降低激光晶体内的温升,同时减小端面形变造成的透镜效应.复合晶体的ΔΦT(r)与普通晶体相似,且不满足对半径r的二次方关系.在rwp时,ΔΦT(r)相对于参考球面透镜的相位畸变Δφ随r的增大而急剧增大.     

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利用ANSYS/CFX对聚变堆氦冷多喷嘴冷却偏滤器模块在相同高热负荷条件但不同冷却条件下进行了有限元数值分析,得到了偏滤器冷却单元的温度和换热系数分布图,将该温度场作为结构力学分析的加载条件,利用ANSYS/Mechanical对冷却模块进行了稳态条件下的结构应力分析,得到了具有不同结构参数的偏滤器模块的应力分布.通过分析各结构参数对偏滤器模型的热应力的影响,对结构参数进行筛选,得到内应力相对较低的结构设计,从而优化多喷嘴氦冷偏滤器结构.     

多喷嘴氦冷偏滤器的优化与分析

利用ANSYS/CFX对聚变堆氦冷多喷嘴冷却偏滤器模块在相同高热负荷条件但不同冷却条件下进行了有限元数值分析,得到了偏滤器冷却单元的温度和换热系数分布图,将该温度场作为结构力学分析的加载条件,利用ANSYS/Mechanical对冷却模块进行了稳态条件下的结构应力分析,得到了具有不同结构参数的偏滤器模块的应力分布。通过分析各结构参数对偏滤器模型的热应力的影响,对结构参数进行筛选,得到内应力相对较低的结构设计,从而优化多喷嘴氦冷偏滤器结构。