碟片激光器冷却系统的优化设计与实验研究

摘要

碟片激光器效率高、光束质量好、功率范围大,并且运行成本比较低廉。现有的碟片激光器多使用Yb:YAG晶体作为工作物质。但是Yb:YAG晶体为准三能级结构,对冷却温度十分敏感。随着Yb:YAG晶体温度的升高,激光器的输出阈值会升高、斜效率会降低、谐振器不稳定、输出光束质量变差。如果温度继续上升并且分布不均,晶体内应力过大会使碟片破裂。因此,设计高效的冷却系统是研制大功率碟片激光器必须解决的关键技术之一。
　　本论文首先对冷却系统进行了整体介绍,然后针对每一部分进行优化设计。采用实验与理论相结合的方法,研究了冷却系统的管道内径大小对冷却系统水头损失的影响,实验结果表明:管道半径增加一倍可以将泵的扬程从139m降低到95m,而不改变冷却效果。
　　然后,根据流体力学和传热学的基本原理,运用FLUENT和ANSYSWorkbench对冷却指和热沉的结构进行了优化设计。在原冷却指的基础上,设计了中间进水两侧回水的冷却指结构,增大了流量,降低了碟片温度。对射流冷却结构的研究发现,在一定范围内,随着射流针孔的长度减小,与冷却物质接触的热沉表面湍流度增大,碟片温度不断降低;减小射流冲击的距离,对射流冷却的换热能力有较大的提升。本论文还针对方形热源的特点设计了针孔孔径等差分布的喷头结构,这种换热系数非均匀分布的射流冷却结构能够使碟片温度分布更加均匀。
　　最后研究了热沉材料、厚度以及矩形肋片的排布方式对冷却效果的影响。高导热率的材料能够大幅度降低晶体的温度,而减小热沉厚度也可以降低晶体的温度但碟片变形会增大。合理的设计肋片尺寸也可以强化换热效果。经过多种冷却结构对比分析研究最终得出适用于碟片激光晶体端面冷却的优化方案。

目录

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中文摘要

1 绪论

1.1 大功率固体激光器冷却技术发展现状

1.2 本课题的意义

1.3 本论文的研究内容

2 冷却循环系统水路的参数计算与设计

2.1 冷却循环系统水头损失的实验测量

2.2 冷却循环系统管道的优化与设计

2.3 冷却循环系统水泵参数的优化与选取

2.4 本章小结

3 碟片射流冲击冷却指的结构设计与优化

3.1 理论基础

3.2 模型的建立与求解

3.3 原射流冲击冷却指结构的换热效果分析

3.4 优化的冷却指结构设计3.4.1 冷却指内径的优化

3.5 本章小结

4 碟片热沉的结构设计与优化

4.1 理论基础

4.2 热沉厚度及材料对冷却效果的影响

4.3 热沉肋片的设计

4.4 实验结果

4.5 本章小结

5 结论和展望

5.1 全文结论

5.2 展望

致谢

参考文献