10kW矩形光斑激光空間合束器光學透鏡的有限元熱分析

李奔，周井鋒，王藝，白楊

（1 西北大學光子學與光子技術研究所，西安710127）

（2 省部共建西部能源光子技術國家重點實驗室，西安710127）

0 引言

空間傳輸矩形激光光斑的高功率近紅外半導體激光器是提高激光表面熱處理效率和質量的關鍵工具之一［1-2］。隨著激光功率的增加，體積增大和空間傳輸造成高功率半導體激光器難以應用于工件內部的柔性激光表面熱處理。商用高功率光纖激光器或光纖傳輸半導體激光器雖然能夠用于工件內部的表面熱處理，但是單根光纖中傳輸超高功率激光極易出現非線性效應、模式突變、熱應力損傷等危及光纖安全傳輸的問題［3］，且單根光纖輸出圓形光斑難以控制激光表面熱處理過程中的光斑重疊率問題［2，4］。基于多光纖傳輸的激光非相干空間合束是降低高功率激光在單光纖中傳輸風險、實現高功率激光柔性傳輸的有效方法之一［3，5-7］，已迅速成為超高功率激光系統領域的研究熱點。然而，長時間超高功率激光束照射時產生的熱量積累會在光學元件內部產生嚴重的熱效應，造成合束質量降低甚至在光學元件內部產生不可逆損壞，嚴重影響合束器長時間工作的安全性和可靠性［8-11］。因此，明晰封裝在合束器中光學元件的熱力學性質隨激光合束時間的變化規律，是有效評估合束器安全性和可靠性的一項關鍵性工作。

合束器的結構屏蔽通常會造成光學元件的熱力學性質難以用實驗方法直接檢測和評估，但隨著計算機技術和計算方法的快速發展，基于有限元分析建立溫度場模型已經成為一種廣泛應用于激光照射光學元件可靠性分析的仿真方法。……