刻螺纹对Nd_YAG晶体棒的热透镜效应影响实验研究

・激光器件与元件・

刻螺纹对Nd :Y AG 晶体棒的热透镜效应影响实验研究

高彦伟1,刘晓峰1,孙年春1,黄永宗2,李　斌3

1.四川大学,成都　610064;

2.成都莱普科技有限公司,成都　610041;

3.成都东骏激光有限责任公司,成都蒲江　611630

提要:从理论上分析了Nd :Y AG 晶体棒内热传导过程以及影响冷却效果的因素,给出了表面刻上螺纹后,对Nd :Y AG 晶体棒的表面积和表

面冷却换热方式的影响。对热焦距进行了测量,与普通的棒的实验结果进行了对比,螺纹棒比普通棒的热焦距大12.9%。用刻螺纹的方法可以增大晶体与冷却液的接触面积同时改变了对流传热方式,有效地降低了棒的热透镜效应。

关键词:固体激光器;对流换热系数;螺纹棒;热焦距中图分类号:TN 248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2008)03-0006-02

The experimental investigation of Nd :YAG grooved rods ’therm al focal distance

G AO Y an -wei 1,LIU X iao -feng 1,S UN Nian -chun 1,HUANG Y ong -z ong 2,LI Bin 3

1.S ichuan University ,Chengdu 610064,China ;

2.Chengdu Laipu Science and T echnology C o.Ltd ,Chengdu 610041,China ;

3.Chengdu D ongjun laser C o.Ltd Pujiang ,Chengdu 611630,China

Abstract :The process of heat of Nd :Y AG crystal rods and the factors of cooling efficiency are analyzed theoretically in this paper.The change of the surface area of Nd :Y AG crystal rods and the change of the style of thermal cooling exchange are studied as well.The thermal focal distances of grooved rod is measured.C om pare with the results of ordinary rods ,the result showes that the thermal focal distance has increased 12.9%.This method which groove screw thread can increase the contact area between the rod and the cooling liquid ,and change the m ode of heat convection ,decrease the thermal lens effects of the rods.

K ey w ords :s olid -state laser ;convective heat -trans fer coefficient ;grooved rod ;thermal focal distance

收稿日期:2008-03-05

作者简介:高彦伟(1981-),男,汉族,河南驻马店人,四川大学在读硕士研究生,研究方向为激光与光通信。

双氙灯泵浦的ms 级脉冲Nd :Y AG 激光器在焊接和切割方面有广泛的应用。闪光灯泵浦Nd :Y AG 激光棒的时候,只

有大约3%〔1〕

的泵浦光被有效利用转化为激光输出,其余的大约有14%的能量转化为激光棒组件上的热而散逸掉,这些通过激光棒耗散掉的热使得其温度升高。这些热量将导致热透镜、应力、退偏、双折射等不良反应,这些效应使激光光束质量和输出功率下降,甚至造成工作介质破坏,严重限制

了固体激光器的最大平均功率和亮度〔2〕。文献〔3〕

对Nd :Y AG

激光器的热效应进行了计算模拟和实验研究;文献〔4〕

和文献〔5〕用有限元分析法对侧面泵浦的Nd :Y AG 激光器的热效

应进行了研究;文献〔6-8〕

还对热效应现象对激光器的输出的影响进行了研究。为使激光器持续稳定运转,必须及时有效地带走泵浦在工作介质中造成的无用热,一般情况下要对激光晶体棒和灯进行循环水冷却。对影响侧面泵浦Nd :Y AG 螺纹晶体棒的冷却效果的因素进行理论分析,并对双氙灯泵浦螺纹棒的热焦距进行实验测量,与一般的激光棒进行对比,来验证加工螺纹的方式是否对激光器的热透镜效应有所改善很有意义。

1　理论分析

激光棒因吸收泵浦光而产生的热是通过表面流过的冷

却液冷却的,假设棒内部发热均匀,在光学无限长的圆柱棒表面的冷却也均匀,则热流限于径向,并且可忽略轴向上冷却温度的端面效应和小的变化。以K 表示热导率,以Q 表示单位体积的均匀发热量,可根据一维传导方程得出圆柱棒

的径向温度分布〔1,9,10〕

:

d 2T dr

2+

1r

dT dr

+Q

K

=0(1) 方程的解给出了沿半径长度r 内任一点的稳定态温度。以T (r 0)表示r =r 0的边界条件,T (r 0)为棒表面温度,r 0为棒的半径,则

T (r )=T (r 0)+

Q

4K

(r 20-r 2

)(2) 温度分布呈抛物线,。棒内的温度梯度并不是棒表面的温度T (r 0)的函数。单位体积的发热可表

示为

Q =

P a

πr 0L

(3)

式中,P a 为棒消耗的总热量,L 为棒的长度,棒的表面和

棒的中心温差为

T (0)-T (r 0)=

P a

4πK L

(4)

棒与冷却液之间的传热使棒的表面与冷却液之间出现

温差。当内部吸收的总热量P a 等于冷却液表面带走的热量时,就达到稳定态。

P a =F α〔T (r 0)-T F 〕

(5) 式中,T F 冷却液的温度,F 为激光棒与冷却介质接触的表面积,α为冷却介质与棒表面之间的热传导系数。1.1　影响冷却效果的因素

由式(5)可知,冷却效果取决于F 和α,同等条件下F 越大,α越大冷却效果就越好。对流换热系数a 的大小反映了对流换热过程的强弱。影响换热系数的因素有以下几个方面〔11〕:流动状态、流体的种类及物理性质以及换热表面的形状、尺寸和位置。实验中流体为水,螺纹棒和普通棒的区别在于其与冷却液的接触表面积不同,以及刻上螺纹后棒表面水流动状态的改变。

螺纹棒的参数如下:尺寸Φ8×145mm 2,螺纹深度为0.1mm ,间距为0.6mm ,其照片如图1所示。

图1　螺纹棒照片

单个螺纹的剖面图如图2所示,它的表面积应该是如图3所示的两个相等面积的扇环的面积,S =(S 1-S 2)其中:

S 1=12Rl 1=12×4cos θ×2π×4=16πcos θ

S 2=12rl 2=12×3.9cos θ×2π×3.9=

15.21πcos

θ 其中θ=arctan 3

6

高彦伟等:刻螺纹对Nd :Y AG 晶体棒的热透镜效应影响实验研究 《激光杂志》2008年第29卷第3期 LASER JOURNA L (V ol.29.N o.3.2008)