
端面泵浦固体激光器热效应仿真:Comsol应用下的激光镜头热分布、热透镜及焦距散
热分析(涵盖常规波长激光器)
打开COMSOL新建模型时,总得先喝口冰美式——端面泵浦激光器的热仿真最怕参数漏输。先建个圆柱
体几何体,半径5mm高度10mm,材料选Nd:YAG晶体。别急着点计算,热源项里的高斯分布公式得手动敲:
```
Q = (2*P_pump)/(π*w_p^2*L) * exp(-2*r^2/w_p^2)
```
这里P_pump设30W,泵浦光斑半径w_p取0.5mm,L是晶体长度。有次手滑把w_p单位输成厘米,结果温
度场飙到2000°C,系统报警跟催命似的。
边界条件设置讲究得很:底面绑定水冷铜块,用对流换热系数5000 W/(m·K);侧面自然对流给个15
W/(m·K)就行。记得勾选热应力多物理场耦合,不然应力形变算出来全是直线。网格划分时重点加密泵
浦区,用自由四面体网格配合边界层,泵浦区域局部加密到0.05mm,其他区域0.5mm足够。有工程师非要把
整个模型网格做到纳米级,结果工作站跑了三天三夜还没出结果。
点击计算后盯着进度条,温度云图最先跳出来。正常情况最高温应该在晶体中心,约80-120°C之间。
接着切到应力分布,注意看端面的凸起变形——这就是热透镜效应的元凶。导出沿光轴的温度梯度数据,用
抛物线拟合算热焦距:
```matlab
fitresult = fit(r_data, delta_n, 'poly2');
f_thermal = 1/(fitresult.p1 * L);
```
某次项目中发现532nm绿光器的热焦距随功率变化呈非线性,原来是被忽略的量子亏损热导致。后
来在热源项里加了波长相关的修正因子η=1-λ_pump/λ_laser,总算和实验数据对上了。
散热分析时特别要注意冷却水流速的取值。做过一组对照仿真:流速从1m/s提到2m/s时,晶体温度
只降了8°C,但压损却增加了4倍。后来在355nm紫外激光器项目里改用微通道冷却,0.5mm直径的流道阵列
让热阻直降40%。
不同波长激光器的坑点各异:457nm蓝光器量子效率低,热负载比1064nm高两倍;226nm深紫外更要
命,连YAG晶体都用不了得换CLBO。有回帮客户调226nm系统,发现热致双折射严重影响光束质量,最后在CO
MSOL里启用电光效应模块才找到最优冷却角度。
玩激光器的都懂,热效应这玩意儿就像夏天的蚊子——躲不掉还贼烦人。尤其是端面泵浦结构,泵浦
光怼着晶体正面狂轰滥炸,温度梯度分分钟给你整出个热透镜效应。今天咱们拿COMSOL扒一扒这热分布的
门道,手把手调几个参数看看怎么让激光器别变成"热水器"。
先整点实在的,建个Nd:YAG晶体模型。泵浦光咱用高斯分布,COMSOL里头写热源项直接上代码:
```matlab
heat_source = 50e3 * exp(-(x^2+y^2)/(0.3e-3)^2) * exp(-15000*z);