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AnsysWorkbench在固体激光器设计中的应用
作者：程小劲
来源：《科技资讯》2018年第03期
摘 要：为了更直观理解固体激光器中的热分布，借助Ansys Workbench有限元分析软件对不同厚度板条结构Nd：YAG晶体的温度分布进行了分析，揭示了Ansys Workbench在固体激光器热分析中的作用，分析结果对固体激光器的设计有重要参考意义。 关键词：Ansys Workbench 固体激光器 热分析
中图分类号：TN248.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（c）-0067-02 尽管近些年光纤激光器、半导体激光器的快速发展使得固体激光器在平均输出功率上的优势缩小，但在高脉冲能量、高峰值功率上，固体激光器仍然具有明显的优势，使得固体激光器在科研、医疗和军事等领域有着广泛的应用。热效应是固体激光器设计时必须要优先考虑的问题，由于量子亏损等原因，在固体激光器中，泵浦光抽运固体激光介质时会产生一定的热，为了降低激光介质的温度，需要对激光介质表面进行冷却，因此激光介质内部到表面会有一定的温度差，温差的存在会导致热应力和热致双折射，从而影响固体激光器的效率和光束质量。因此在设计固体激光器时，必须根据泵浦方式和冷却条件的不同对激光介质进行详细的热分析，并根据结果选择合理的激光介质尺寸、泵浦和冷却结构。在三维直角坐标系中，激光介质的温度分布可以由热传导方程来描述，当激光晶体处于热平衡时，热传导方程可以表达成： （1）
其中，Q为单位体积内产生的热量，k为激光介质的导热系数，再根据冷却条件设置对应的边界条件，一般常见的边界条件有传导、对流、辐射和隔热。对于一维热分布，我们一般可以直接根据热传导方程和边界条件计算出温度分布，但当考虑的温度分布大于一维时，用解析法直接求解热传导方程是比较困难的，所幸计算机技术的快速发展为多维温度分布的计算提供了较好的方法。Ansys Workbench是美国Ansys公司研制的大型通用有限元分析软件，利用Ansys Workbench，我们可以对材料进行稳态和瞬态热分析。下面将以Nd：YAG板条激光器为例，利用Ansys Workbench 软件分析了不同厚度下板条晶体的温度分布。
Ansys Workbench分析激光介质热分布分成以下几个步骤：（1）建模：可以在Ansys软件中建模，也可以导入其他三维软件（Solidworks，Pro/E等）中的模型；（2）材料属性设置：设置激光介质的热导率、弹性模量等参数；（3）网格划分：划分约精细，结果越准确，但所需计算时间也越长；（4）加热载：在晶体内部加入热载，并根据冷却方式确定边界条件；5结果后处理。
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表1为实际的热分析过程中用到的主要参数，Nd：YAG的热传导系数为14W/mK。为了比较不同厚度的晶体的热分布的差异，我们选了1mm，2mm和3mm共3种厚度的板条，而在宽度和长度方向，选用了相同的尺寸，每种板条承受的热载均为200W。在三维建模方面，专业的三维软件（Solidworks，Pro/E等）比Ansys自带的建模功能要强大，使用也更方便，所以我们先在Solidworks里面建模，再通过Ansys Workbench的Import Geometry将模型导入到Ansys中。完成建模后，需要设置材料的参数，对于热分析来说，导热系数、泊松比和热膨胀系数是与热分布（温度、热应力和热致双折射）关系比较密切的参数，其数值可以通过相关文献获得。网格划分是有限元分中非常重要的环节，网格划分要兼顾精度和效率。进行完网格划分后，需要对模型施加载荷和约束。在本例热分析中，首先通过Internal Heat Generation命令给板条激光介质施加200W的热功率，然后需要对激光介质的每个面设置边界条件，两个大面（10mm×20mm）为水对流换热，其他面为空气对流冷却。在Ansys的Insert Convection中设置对流换热系数（Film Coefficient）和周边温度（Ambient Temperature）。进行完参数设置后，点击Solution中的Solve命令，就可以看到分析结果。图1所示的是不同厚度的板条结构Nd：YAG的温度分布图，从分析结果可以看出，在相同的泵浦和冷却条件下，当板条厚度由3mm降到1mm，中心最高温度由353.84K降到308.93K，结果表明，降低板条的厚度可有效改善晶体内部的热分布。完成温度分布分析后，还可以进行热应力的分析。
利用Ansys Workbench的热力学分析模块可以直观的看到晶体内部的热分布，本文以板条结构的Nd：YAG为例，介绍了利用Ansys Workbench对激光介质进行温度分布的过程，其结果对固体激光器的设计具有重要的参考意义。 参考文献
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