固體激光器的熱流固耦合數值模擬與像差研究

梁興波 呂坤鵬 陳一豪 劉磊

摘要：固體激光器所形成的熱效應和波前像差是影響固體激光器運行功率和性能提升的主要因素，為了能夠有效解決這些影響因素所帶來的阻礙，本文首先對固體激光器的熱流固耦合數據值模擬進行了研究，之后又對影響光程差的因素做了細致的分析，最后提出了光程差的計算方法。通過本文的研究望可以為固體激光器的正常高效運行提供參考。

關鍵詞：固體激光器；熱效應；耦合數值；模擬；像差

伴隨激光技術不斷完善，激光在各領域中的應用具有非常重要的作用，并且對高性能的激光器需求也越來越大。在各種激光器當中，固體激光器因其本身特有的結構緊湊、方便攜帶、功率高、光束效果佳等優勢被人們所關注和廣泛應用。然伴隨激光器功率增大，固體激光器熱效應和波前像差現對激光器的光束質量與運行穩定性產生較嚴重的影響，所以需利用合理的措施降低激光器熱效應和波前像差現像發生機率，由此右證輸出功率和光束質量。

1.固體激光器的熱流固耦合數據值模擬

1.1增益模塊模型的構建

對數值模擬來說，在充分滿足計算要求基礎上，需最大程度的對模型進行簡化，以降低所需計算量和時間，提升模擬效果。增益模塊模型的構建選擇的是兩薄片式的三流道設計。因為流體流動所具有的對稱性特點，所以可選用實際模型中的一半來構建模型，就是將壁面設置為對稱性平面。在固體域當中，含有內熱源增益介質的薄片陣列，而在流體域當中含有流體流動和通道冷卻系統[1]。

1.2增益模塊劃分

模塊的網絡劃分就是把求解域分離成有限數量并且相鄰的若干個控制單元，同時對各控制方程的離散值進行求解。所以網絡劃分同樣也屬于模型構建過程中較為關鍵性的一部分。在三維模立體模型當中僅需在某一軸方向實施網格劃分就可以。然對固體域結構的網絡劃分，其結構應力模擬的結果會受到網格質量不同程度的影響，但是并不會像流體計算時的那樣明顯，所以對結構所實施的網絡劃分要求與流體相比不是很高，基本都會使用均勻性的網絡劃分法。在實施固體域網格無關性檢測時，通過檢測結果能夠發現，對固體域來說，模擬結果對網絡所形成的影響并不大，全面思考計算精度和時間，選用總計為160萬的固體網絡來進行劃分。

1.3模型參數的確定

首先，增益介質。本文所構建的增益模塊模型構成主要是由增益薄片陣列和通道換熱系統所構成，固體域增益介質是固體激光器晶體，在模擬情況下固體物性發生改變的機會會非常小，因此在模擬過程中，物性參數可以設置成常數，并同時假設材料是安全線強性；其次，冷卻介質。增益模型中的流體域當中所設置的冷卻液是小，因為在進行模型計算的時候，會對溫度場進行計算，然液體物性即密度和粘度等，隨溫度變化的幾率相對較大一些，因此在模擬設置過程中，對于流體物性的選擇需選擇變物性的流體[2]。

1.4邊界條件的設置

邊界條件指的是在數值模擬可以求解的情況下。利用網絡規劃中的Fluent軟件包和靜態結構分析軟件來設定單向熱流固耦合的三維模型的邊界條件設。首先軟件包模塊，其主要包含的內容有入口邊界、出口邊界、壁面邊界、內熱源設定。在此當中，將流體入口設定上成速度入口；對于出口邊界的設定，因不清楚出口是不是能夠得到發展，所以選用與實際更為貼合的壓力出口邊界為常壓出口。壁面邊界的設定，流體域中壁面需選擇沒有滑移的邊界，并同時把除流固耦合界面以外的壁面設置成絕熱壁面，然流體域和固體域所接觸的壁面則需設置成流固耦合壁面。內熱源的設定。因為泵浦光是均勻的照在增益介質的陣列當中的，因此在模擬過程中，可以將其確認成具有均勻性的熱源，為此在邊界設定中，把固體域設置成均勻內熱源，同時將單塊增益介質熱負荷設置成1000瓦。其次，靜態分析模塊，主要包含壁面置和載荷設置。其中壁面設置，在對結構應力進行計算的時候，計算對象僅有固體域，也就是兩個增益薄片。除流固耦合壁面與對稱壁面，可對其兩側實施固定的約束，對其外側需設置無摩擦式的約束，這種約束與法向約束非常相似，令限制在法向下，不可進行位移，但是可以不同方向的平移。在此當中的固定約束就是全約束，僅對這一面各方向位移和轉動進行管控。載荷設置。對流固耦合模擬當中的固體域載荷進行設置，增益介質中的載荷都是來自流體域當中，可劃分成增益介質溫度部分和流固耦合壁面壓力，就是微通道中流場施加給薄片的壓力[3]。

2.影響光程差的因素

2.1流動雷諾數因素

流體流動狀態變分會對流體傳熱效率與整個系統溫度的分散性產生影響，在此情況下，也一定會不同程度的影響到激光器的光程。結合流動雷諾數值對固體激光器熱效應和光程差所產生的影響情況，對薄片介質熱負荷、流動雷諾數的各工況實 施數值模擬，其最大的范式等效應力會隨雷諾數而發生相應的變化。最大范式等效應力隨流動雷諾數升高而不斷降低；雷諾數為2200的葉偶。薄片承受的范式等效應力是331.84兆帕，與固體激光器晶體抗接性341兆帕非常接近，如果再將雷諾數降低，會使增益模塊產生損壞。所以工作狀態下的微通道雷諾數不可小于2200。在此情況下，更深層的對峰谷值的流動雷諾數變化情況進行分析，可以看出流動雷諾數不但會影響峰谷值，而且來會對光程差分布形成影響[4]。

2.2薄片熱負荷因素

伴隨激光器本身輸出功率的不斷提升，薄片熱負荷也會相繼增大，在此情況下便會產生固體激光器的熱效應和波前像差，而且這種情況會變來非常嚴重。為為對固體激光器設計進行優化，對薄片熱負荷和固體激光器熱效應及光程差所產生的影響因素進行分析便顯得特別重要。從實驗中可以看出，薄片受到的最大范式等效應力會隨薄片熱負荷現象而不斷加劇。當薄片熱負荷達到2300瓦的時候，最大范式等效應力會達到333兆帕，如果繼續增大熱負荷會使薄片產生斷裂的現象。所以增益模塊承受的最大熱負荷便是2300瓦。

3.結語

總體來說，雖然激光在各領域中得到了廣泛應用，但因為功率的不斷增大，致使產生了熱效應和波前象差問題，這些問題如果不能得到有效解決，將會影響激光器光束質量和正常工作。因此本文對固體激光器的熱流固耦合模擬進行了分析，之后結合固體激光器在運行中所產生的影響因素，提出了解決熱效應及波前象差的方法，由此促進固體激光器能夠更加高效的為各個行為創造效益和促進企業發展。

參考文獻

[1]王斯琦，李永亮，李仕明，等. LD泵浦Yb∶YAG固體激光器研究進展[J].激光與紅外.2018（01）：3-9.

[2]張逸民，銀慶，高光波.鋁銅組合式散熱器在激光器冷卻系統中的應用研究[J].航空制造技術. 2018（04）： 92-95.

[3]張翔，蘇禮坤，蔡青.全固態Nd：YAG激光器熱效應及輸出光束波前像差分析[J].光學學報.2010（3）： 802-807.

[4]高波，李瑞潔，魏小紅，等. 關于光學元件面形評價參數峰谷值（PV）的分析[J].應用光學.2010（06）： 1046-1049

（作者單位：華北光電技術研究所）