固体激光器的热流固耦合数值模拟与像差研究

梁兴波 吕坤鹏 陈一豪 刘磊

摘要：固体激光器所形成的热效应和波前像差是影响固体激光器运行功率和性能提升的主要因素，为了能够有效解决这些影响因素所带来的阻碍，本文首先对固体激光器的热流固耦合数据值模拟进行了研究，之后又对影响光程差的因素做了细致的分析，最后提出了光程差的计算方法。通过本文的研究望可以为固体激光器的正常高效运行提供参考。

关键词：固体激光器；热效应；耦合数值；模拟；像差

伴随激光技术不断完善，激光在各领域中的应用具有非常重要的作用，并且对高性能的激光器需求也越来越大。在各种激光器当中，固体激光器因其本身特有的结构紧凑、方便携带、功率高、光束效果佳等优势被人们所关注和广泛应用。然伴随激光器功率增大，固体激光器热效应和波前像差现对激光器的光束质量与运行稳定性产生较严重的影响，所以需利用合理的措施降低激光器热效应和波前像差现像发生机率，由此右证输出功率和光束质量。

1.固体激光器的热流固耦合数据值模拟

1.1增益模块模型的构建

对数值模拟来说，在充分满足计算要求基础上，需最大程度的对模型进行简化，以降低所需计算量和时间，提升模拟效果。增益模块模型的构建选择的是两薄片式的三流道设计。因为流体流动所具有的对称性特点，所以可选用实际模型中的一半来构建模型，就是将壁面设置为对称性平面。在固体域当中，含有内热源增益介质的薄片阵列，而在流体域当中含有流体流动和通道冷却系统[1]。

1.2增益模块划分

模块的网络划分就是把求解域分离成有限数量并且相邻的若干个控制单元，同时对各控制方程的离散值进行求解。所以网络划分同样也属于模型构建过程中较为关键性的一部分。在三维模立体模型当中仅需在某一轴方向实施网格划分就可以。然对固体域结构的网络划分，其结构应力模拟的结果会受到网格质量不同程度的影响，但是并不会像流体计算时的那样明显，所以对结构所实施的网络划分要求与流体相比不是很高，基本都会使用均匀性的网络划分法。在实施固体域网格无关性检测时，通过检测结果能够发现，对固体域来说，模拟结果对网络所形成的影响并不大，全面思考计算精度和时间，选用总计为160万的固体网络来进行划分。

1.3模型参数的确定

首先，增益介质。本文所构建的增益模块模型构成主要是由增益薄片阵列和通道换热系统所构成，固体域增益介质是固体激光器晶体，在模拟情况下固体物性发生改变的机会会非常小，因此在模拟过程中，物性参数可以设置成常数，并同时假设材料是安全线强性；其次，冷却介质。增益模型中的流体域当中所设置的冷却液是小，因为在进行模型计算的时候，会对温度场进行计算，然液体物性即密度和粘度等，随温度变化的几率相对较大一些，因此在模拟设置过程中，对于流体物性的选择需选择变物性的流体[2]。

1.4边界条件的设置

边界条件指的是在数值模拟可以求解的情况下。利用网络规划中的Fluent软件包和静态结构分析软件来设定单向热流固耦合的三维模型的边界条件设。首先软件包模块，其主要包含的内容有入口边界、出口边界、壁面边界、内热源设定。在此当中，将流体入口设定上成速度入口；对于出口边界的设定，因不清楚出口是不是能够得到发展，所以选用与实际更为贴合的压力出口边界为常压出口。壁面边界的设定，流体域中壁面需选择没有滑移的边界，并同时把除流固耦合界面以外的壁面设置成绝热壁面，然流体域和固体域所接触的壁面则需设置成流固耦合壁面。内热源的设定。因为泵浦光是均匀的照在增益介质的阵列当中的，因此在模拟过程中，可以将其确认成具有均匀性的热源，为此在边界设定中，把固体域设置成均匀内热源，同时将单块增益介质热负荷设置成1000瓦。其次，静态分析模块，主要包含壁面置和载荷设置。其中壁面设置，在对结构应力进行计算的时候，计算对象仅有固体域，也就是两个增益薄片。除流固耦合壁面与对称壁面，可对其两侧实施固定的约束，对其外侧需设置无摩擦式的约束，这种约束与法向约束非常相似，令限制在法向下，不可进行位移，但是可以不同方向的平移。在此当中的固定约束就是全约束，仅对这一面各方向位移和转动进行管控。载荷设置。对流固耦合模拟当中的固体域载荷进行设置，增益介质中的载荷都是来自流体域当中，可划分成增益介质温度部分和流固耦合壁面压力，就是微通道中流场施加给薄片的压力[3]。

2.影响光程差的因素

2.1流动雷诺数因素

流体流动状态变分会对流体传热效率与整个系统温度的分散性产生影响，在此情况下，也一定会不同程度的影响到激光器的光程。结合流动雷诺数值对固体激光器热效应和光程差所产生的影响情况，对薄片介质热负荷、流动雷诺数的各工况实 施数值模拟，其最大的范式等效应力会随雷诺数而发生相应的变化。最大范式等效应力随流动雷诺数升高而不断降低；雷诺数为2200的叶偶。薄片承受的范式等效应力是331.84兆帕，与固体激光器晶体抗接性341兆帕非常接近，如果再将雷诺数降低，会使增益模块产生损坏。所以工作状态下的微通道雷诺数不可小于2200。在此情况下，更深层的对峰谷值的流动雷诺数变化情况进行分析，可以看出流动雷诺数不但会影响峰谷值，而且来会对光程差分布形成影响[4]。

2.2薄片热负荷因素

伴随激光器本身输出功率的不断提升，薄片热负荷也会相继增大，在此情况下便会产生固体激光器的热效应和波前像差，而且这种情况会变来非常严重。为为对固体激光器设计进行优化，对薄片热负荷和固体激光器热效应及光程差所产生的影响因素进行分析便显得特别重要。从实验中可以看出，薄片受到的最大范式等效应力会随薄片热负荷现象而不断加剧。当薄片热负荷达到2300瓦的时候，最大范式等效应力会达到333兆帕，如果继续增大热负荷会使薄片产生断裂的现象。所以增益模块承受的最大热负荷便是2300瓦。

3.结语

总体来说，虽然激光在各领域中得到了广泛应用，但因为功率的不断增大，致使产生了热效应和波前象差问题，这些问题如果不能得到有效解决，将会影响激光器光束质量和正常工作。因此本文对固体激光器的热流固耦合模拟进行了分析，之后结合固体激光器在運行中所产生的影响因素，提出了解决热效应及波前象差的方法，由此促进固体激光器能够更加高效的为各个行为创造效益和促进企业发展。

参考文献

[1]王斯琦，李永亮，李仕明，等. LD泵浦Yb∶YAG固体激光器研究进展[J].激光与红外.2018（01）：3-9.

[2]张逸民，银庆，高光波.铝铜组合式散热器在激光器冷却系统中的应用研究[J].航空制造技术. 2018（04）： 92-95.

[3]张翔，苏礼坤，蔡青.全固态Nd：YAG激光器热效应及输出光束波前像差分析[J].光学学报.2010（3）： 802-807.

[4]高波，李瑞洁，魏小红，等. 关于光学元件面形评价参数峰谷值（PV）的分析[J].应用光学.2010（06）： 1046-1049

（作者单位：华北光电技术研究所）