DPL中晶体散热效果的比较

　　基金项目：国家科技重点。

　　LD端面泵浦Nd：YAG激光器结构示意。2热传导方程光纤耦合LD端面泵浦Nd：YAG激光器中，晶体内部的温度分布与泵浦光产生的热耗、晶体的热物性参数、几何结构以及外部条件有关。通常在计算中假设晶体各向同性、轴对称，因此在柱坐标系中，稳态热传导方程为：内的温度；k为晶体的导热系数。

　　13热源模型文中采用光纤耦合LD，输出光场分布近似用高斯分布表示，其归一化分布函数为：腰半径；i为晶体长度。

　　泵浦光中心功率Pm与晶体生热效率％hea之积将公式（3）代入公式（2）得到：1.4对流换热系数表1采用有限元法计算温度分布所用参数为晶体泵浦端面径向温度梯度。由于泵浦源和冷却系统共同作用，温度梯度由中心到边先增加后减小，距离中心0.4mm处温度梯度大。

　　22晶体边界对流换热冷却法221晶体温度分布若晶体侧面采用直接对流换热的冷却方法，如所示，冷却水温度20°C，对流换热系数6端面与空气接触，空气温度20C，对流换热系数275W/（m2°C）。晶体泵浦端面中心温度428C，边26 4C，端面中心与边温差16 4C，中心温度比采用铜热沉通水冷却法下降了7C，而且中心与边的温差缩小了11C，可见，这种冷却方式下，晶体温度分布的不均匀性略有改变，热效应影响略有减弱。

　　222液体的换热系数和温度对晶体温度的影响采用晶体侧面直接对流换热的冷却方法，晶体温度分布受到冷却水的对流换热系数和温度的影响。如所示，当改变冷却水的流速，即改变冷却水对晶体边界的对流换热系数分为3 000、000、000、6000W/（m2C），可以得到晶体泵浦端面温度分布结果。当改变冷却水温度，并分为10、12.5、15、175、0C，可以得到如所示的温度分布结果。因此，当提高冷却水对流换热系数或者降低冷却水温度，晶体温度整体下降，但是温度梯度几乎不变。

　　23端面对流换热冷却法在端面泵浦情况下，当晶体靠近泵浦源一端时温度迅速升高，而原有的冷却方式晶体靠近泵浦源一侧时散热效果不理想。本，其中O型坏密封圈起到隔绝水流的作用（a）为整体结构剖面图；（b）为Nd：YAG夹持方式示意图。令冷却水温度20C，对流换热系数6200W/（m2C）晶体泵浦端面中心温度363C，边23 3C，两者温差13C，比前两种冷却方式都低。因此，对晶体泵浦端面进行直接水冷却不仅可以有效降低晶体温度，还可以改变晶体端面温度分布不均匀的现象。由于引起晶体热效应的主要因素是晶体温度分布的不均匀性，所以端面直接冷却的方法可以减小热效应对谐振腔的影响。

　　2.4三种冷却方式的比较激光晶体散热的方法有很多，如气冷、液冷、热管冷却等，但是如何及时有效地散热依然是高功率固体激光器发展的关键。文中采用有限元方法计算得到三种不同冷却方式下，晶体温度场分布结果，如~0所示。由可见，晶体泵浦端面中心温度高49.8C，边32 3C，晶体端面温度变化明显，端面中心与端面边温差175C.三种冷却方，端面直接水冷却法的激光晶体温度低，铜热沉通水冷却法温度相对较高；端面水冷情况下，晶体轴向温度高值并非晶体端面，而是晶体内部，晶体端面形变量相对较小，可以保护端面镀膜不被损坏。

　　阁9 Nd：YAG中心袖向酗度分布吾o阁0 Nd：YAG品休端而的形变由理论分析可知棒内温度分布不均匀使得棒端面形状发生改变，即端面形变效应，晶体棒端面纵向热形变分为端面伸长形变和端面鼓出形变两种，形变后晶体端面整体偏离未形变时的距离为晶体热致伸长形变；端面中心与边的相对形变为鼓出形变。由于棒内温度分布不均匀使得端面由平面变为了凸面，给激光器稳走运行带来不利的影响。模拟结果表明：采用铜热沉通水冷却方法，晶体端面伸长形变和鼓出形变量均比另外两种方式大；采用端面水冷方法时晶体形变量相对较小，因此这种冷却方式可以有效降低晶体温度，减小热效应对谐振腔的影响。

　　3结论采用有限元分析软件并结合Matlab，分析了铜热沉通水冷却法、晶体边界对流换热冷却法和晶体端面对流换热冷却法对激光晶体温度分布和端面形变的影响。结果表明采用铜热沉通水冷却方法时，晶体温度相对较高，晶体端面的形变量较大；采用晶体侧面水冷方式时，改变冷却水的对流换热系数和温度只能改变晶体整体温度，对温度梯度几乎没有影响；采用晶体端面对流换热冷却法的激光晶体温度较低，晶体端面形变量较小，因此这种冷却方法可以有效地降低晶体的温度，减小热效应对谐振腔的影响。