趙 萌,李 隆,潘曉瑞,徐 茵

(西安建筑科技大學理學院,陜西 西安 710055)

1 引 言

固體激光器由于其系統(tǒng)穩(wěn)定性可靠、能量轉換效率高、熱效應小、輸出光束噪聲特性好、頻率穩(wěn)定、質量高、可實現(xiàn)激光系統(tǒng)的緊湊性、多功能性等特點,獲得了快速的發(fā)展。通過對溫度的調諧,可以使LD泵浦更加容易地調節(jié)發(fā)射波長,從而達到與激活離子的吸收峰值一致的效果[1-3]。熱容激光器能夠有效地改善工作介質發(fā)射激光時的溫度分布曲線。激光二極管泵浦的全固態(tài)熱容激光器,不僅具有固體激光器的優(yōu)勢,還融合了熱容激光器的特點,使激光器研究得到了更好的發(fā)展[4-6]。

通過對LD雙端泵浦的熱容激光器進行研究,以Nd∶YAG方形晶體為模型,分析了當熱傳導系數(shù)變化的情況下激光器的熱效應。根據(jù)熱容激光器的管理模式,對方形激光晶體的實際工作特點進行分析,分別建立泵浦階段和冷卻階段的晶體熱模型和不同的熱傳導方程。然后利用變熱傳導系數(shù)、初始條件、邊界條件,對方程進行求解,得到其溫度場的表達式[7-10]。并通過Mathmatic軟件對計算結果進行模擬,同時分析比較了各個因素對晶體溫度的影響。

2 熱模型建立

雙端泵浦長方形熱容激光器其實就是單端泵浦熱容激光器的疊加,由一個端面泵浦增加了另外一個端面泵浦。建立的模型圖如圖1所示。

圖1 單端泵浦Nd∶YAG晶體模型

泵浦光從兩端沿著z軸入射到Nd∶YAG晶體中,產生的光強與單端泵浦相同,所以光強的表達式I1(x,y,z)為:

(1)

功率P的表達式為:

(2)

(3)

根據(jù)晶體吸收規(guī)律,在z=z軸泵浦光強為:

(4)

激光介質在z=0處熱功率密度的表達式為:

(5)

同理可以得出在另一端面z=z面,熱功率密度為

qv2=βηI2(x,y,z)

(6)

最后兩端總功率疊加為:

(7)

滿足的邊界條件如下:

(8)

3 理論分析計算

溫度場分布滿足泊松方程:

有機農業(yè)與目前農業(yè)相比較，有以下特點：可向社會提供無污染、好口味、食用安全環(huán)保食品，有利于人民身體健康；可以減輕環(huán)境污染，有利恢復生態(tài)平衡；有利提高我國農產品在國際上的競爭力，增加外匯收入；有利于增加農村就業(yè)、農民收入，提高農業(yè)生產水平。

(9)

(10)

代入方程(9)得:

(11)

為了計算簡便,對上式變形:

(12)

利用本征函數(shù)的正交歸一性得:

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

式(16)變形可得為:

(19)

得通解為:

(20)

泵浦階段溫度場表達式為:

(21)

由式(11)得知Nd∶YAG晶體熱傳導系數(shù)是溫度的函數(shù),代入式(6)得:

(22)

在泵浦階段,假設周圍室溫為20 ℃[14],上式為:

(23)

4 數(shù)值模擬

4.1 LD雙端泵浦變熱傳導系數(shù)Nd∶YAG方形晶體熱容激光器溫度場特征

4.1.1 雙端泵浦Nd∶YAG方形晶體熱容激光器泵浦階段溫度場

選擇摻釹離子為1.0%的雙端泵浦Nd∶YAG方形晶體,晶體尺寸為20 mm×20 mm×10 mm[15]。泵浦光功率為60 W,光斑半徑為800 μm,Nd∶YAG晶體對射入的泵浦光的吸收系數(shù)β是910 m-1,超高斯光束階次選擇三階超高斯光束,取值ζ=3,最高溫升為201.30 ℃[16]。圖2、圖3分別為雙端泵浦Nd∶YAG方形晶體泵浦階段溫度場分布及等溫線,由圖可知,沿z軸呈對稱性分布,兩端溫升一致。

4.1.2 雙端泵浦Nd∶YAG方形晶體熱容激光器冷卻階段溫度場

泵浦工作階段在第5 s結束,從5 s末開始進入冷卻階段。冷卻階段晶體各參數(shù)與上述都相同[17]。

圖2 雙端泵浦變熱傳導系數(shù)Nd∶YAG方形晶體泵浦階段溫度場分布圖

圖3 雙端泵浦變熱傳導系數(shù)Nd∶YAG方形晶體泵浦階段等溫線

冷卻階段工作的時間總長也為25 s,在第30 s末冷卻階段結束,開始下一階段的泵浦。冷卻階段溫度場及溫度衰減圖如4和圖5所示,由圖可見,冷卻階段溫度場兩端溫度呈“滑坡”狀下降。到第30 s末時溫度下降為相對室溫0.03 ℃。

圖4 雙端泵浦變熱傳導系數(shù)Nd∶YAG方形晶體冷卻階段溫度場分布圖

圖5 雙端泵浦變熱傳導系數(shù)Nd∶YAG方形晶體冷卻階段溫度衰減圖

4.2 Nd∶YAG方形晶體熱容激光器在不同因素下的溫度場變化

在研究熱容激光器的溫度場效應時,影響它的因素有很多,每個影響因子參數(shù)變化時,都會對溫度場起到影響,因此主要研究泵浦光斑半徑和泵浦時間對熱容激光器溫度的影響[18]。

4.2.1 泵浦光斑半徑對Nd∶YAG方形晶體熱容激光器溫度場影響

選擇合適的泵浦光光斑半徑,能夠有效地降低溫度場的溫度。當其他參數(shù)不變,只改變泵浦光的光斑半徑時,研究其對溫度場的改變。在泵浦光半徑分別為800 μm,900 μm,1000 μm,1100 μm,1200 μm[16]。其余參數(shù)皆不變。得到泵浦階段和冷卻階段方形晶體端面溫度隨泵浦光斑半徑的變化,以及冷卻階段方形晶體端面溫度隨不同時間段的變化[19],如圖6、7、8所示。在雙端泵浦的模式下,泵浦光斑半徑的越大,兩端面溫升呈對稱性下降[20]。

圖6 雙端泵浦階段方形晶體溫度場隨著不同泵浦光斑半徑的變化

4.2.2 泵浦時間對Nd∶YAG方形晶體熱容激光器溫度場影響

對于熱容型激光器,泵浦時間是一個非常重要的因素,因為一個合適的泵浦時間和冷卻時間的分配,能在一定程度上把熱效應降到最低,從而能獲得最高的輸出功率。選取泵浦時間分別為5 s,6 s,7 s,8 s,9 s,10 s,來觀察泵浦時間對激光晶體溫度場的影響[21]。由圖7可見隨著泵浦時間增長,溫度整體呈上升趨勢,時間越長,其單位時間段的溫度上升值越小。把握泵浦時間和冷卻時間,可有效降低熱效應。

圖7 雙端泵浦階段方形晶體溫度場隨不同泵浦時間的變化

圖8 雙端冷卻階段方形晶體端面溫度和晶體中心溫度隨泵浦時間的變化

5 總 結

本文研究了雙端泵浦Nd∶YAG方形晶體熱容激光器的溫度場,本文也研究了雙端泵浦Nd∶YAG方形晶體熱容激光器泵浦階段和冷卻階段在不同光斑半徑下和不同泵浦時間下溫度場的變化。研究結果表明,隨著泵浦光斑半徑的增加,其溫度場溫度降低,隨泵浦時間增加,其溫度場溫升值增加,但每單位時間內溫升值減小。研究結果為固體激光器與熱容激光器的設計提供了一定的理論指導意義。

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