基于ANSYS的激光晶体热效应仿真研究

周宗仁

摘要：为定量研究激光晶体截面长度与截面大小对晶体热效应的影响，用有限元方法建立激光晶体热模型，并用ANSYS软件设定相关参数，分析不同长度、不同截面YV04/Nd：YV04、GdVOdNd：GdV04复合激光晶体的温度分布情况。分析结果表明，当复合晶体截面大小为3x3mm2时，掺杂晶体长度从3mm增加到6mm，YVO4/Nd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4复合晶体中心最高温度分别下降了2.71°C和2.25°C;当复合晶体中掺杂晶体长度为3mm时，复合晶体截面大小从1x1mm²增加到3x3mm²，YVO4/Nd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4復合晶体中心最高温度分别下降超过13℃和29℃。根据基于ANSYS的有限元方法分析得出，选择截面面积较大、掺杂晶体长度较长的复合晶体能够一定程度上改善激光器温度特性。

关键词：ANSYS;有限元分析;复合晶体;晶体热效应

DOI：10.11907/rjdk.191192

中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）012-0093-05

0引言

LD抽运的全固态激光器以其结构紧凑、效率高、稳定性好、寿命长等优点，成为激光领域研究的热点之一。激光晶体的光学、热力学和机械性能很大程度上决定了激光器的效率、输出光束质量及稳定性。激光器在工作时，由于一部分泵浦能量转化为热能，从而在晶体内部形成温度与折射率梯度分布，造成晶体端面形变，这种热透镜效应会严重影响激光器性能。改善激光器热效应较为有效的方法之一是使用掺杂晶体和非掺杂晶体结合形成的复合晶体。复合晶体概念首次由Bowman等提出，其研究发现当半导体侧泵带有无掺杂端的Tm/Ho：YAG复合晶体时，其最大输出功率是非复合晶体的2倍。在国内，采用扩散键合技术实现的结果有：LD泵浦YV04/Nd：GdVO4晶体获得879nm连续激光输出，输出功率达到14.8w;LD泵浦的Nd：LuVO4复合晶体实现连续激光运转，得到最大输出功率为17.2W;LD泵浦的YV04/Nd：YVO4晶体激光器得到13.3W的连续输出功率。研究表明，复合晶体可以有效缓解晶体内部热效应，得到稳定的功率输出。对于掺Nd³⁺激光晶体热效应已进行了很多理论研究，然而复合晶体中掺杂晶体长度及复合晶体截面大小对激光器热效应影响的相关报道仍然较少。本文对LD端面抽运、侧边热沉冷却的复合晶体激光器工作特点进行分析，通过建立复合晶体激光器工作时的热传导理论模型，用有限元方法和ANSYS软件研究YVOdNd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4两种复合晶体中掺杂晶体长度与截面大小对复合晶体热效应的影响，并进行定量分析。

1

理论分析

掺Nd³⁺的Nd：YVO4、Nd：GdVO4晶体入射端覆盖有一个截面面积相同、长度为2ram的基质晶体，形成复合晶体。LD激光沿YVO4/Nd：YVO4、GdVO4/Nd：GdVO4复合晶体端面中心泵浦，复合晶体中的掺杂晶体吸收泵浦光一部分热能。复合晶体外部被铝块包裹，通过温控和水循环形成外部冷却装置控制铝块温度。复合晶体大部分热量被冷却装置带走，小部分通过与空气的接触面流失。图1给出了以YVO4/Nd：YVO4为例的复合晶体几何结构。

为了使泵浦光功率密度得到最大程度的利用，保持泵浦光与LD模式一致。实验中泵浦光光腰与光斑半径相差不大，因此近似认为复合端面处泵浦光光斑半径大小与光腰半径一致。

3结语

本文利用有限元分析及ANSYS软件，研究了激光晶体长度与横截面积对热稳态下YVO4/Nd：YVO4和GdVO4/Nd：GdVO4复合晶体中心温度的影响。通过定量分析发现，在15W泵浦功率下，增加激光晶体长度与截面大小都能够有效降低晶体热效应，从而优化DPSSL的激光输出功率，增强其可靠性，为进一步设计热性能更好、输出频谱更适合的激光器提供了理论依据。ANSYS及有限元研究方法在热力学仿真分析方面具有高效、准确的优势，可为实际工程设计提供理论指导，因此在未来研究工作中将得到进一步应用与发展。