4-43  高功率薄片激光介质温度与应力数值模拟

涂  波  蒋建锋  周唐建  崔玲玲  姚震宇

Nd:YAG薄片激光介质一个表面采用二极管阵列泵浦，另一个表面冷却的工作方式，可以使薄片径向温度分布近似均匀，从而降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。针对Nd:YAG薄片激光介质的热效应问题建立了理论计算模型。分别计算了在不同泵浦条件下薄片的温度分布和应力大小，薄片泵浦条件变化与应力的关系，以及在Nd:YAG薄片与Cu冷却器之间增加与Nd:YAG热膨胀系数相近的介质层材料(复合金刚石)对应力影响的关系。

表 1  两种泵浦方式的温度应力比较

结果表明：在泵浦功率密度、外界温度和冷却条件一致的情况下，泵浦光泵浦整个薄片上表面时总体应力最小，最大应力为84 MPa；这种情况下，由于泵浦是整个上表面且功率密度相同，从而消除了径向温度梯度和因径向温差产生的应力，应力是由于Nd:YAG薄片激光介质内部轴向的温度差而产生的，此时增加复合金刚石介质层能改变应力大小；泵浦光泵浦部分薄片时总体应力比较大，激光介质的热传导系数比较低，使热量不能较快传导到介质的非泵浦区域和下表面的铜热沉，由于泵浦区域是部分薄片，使介质内部轴向温度梯度较为明显，造成介质内部的径向温度梯度较大，此时应力主要是薄片泵浦区与非泵浦区温差造成的，最大应力为110 MPa，增加介质层与否对应力影响不大(见表1)。