粗糙表面散热模型及其在激光器热分析中的应用

本文研究了激光二极管端面泵浦固体激光器中采用金属热沉夹持圆棒晶体散热时的相关热效应问题。实际中，通常采用两块金属热沉夹持圆棒状激光晶体散热，晶体棒与热沉的接触面具有一定的粗糙度。由于圆棒晶体的特殊结构，装配压强在晶体侧面形成不均匀分布，在晶体棒侧面产生非轴对称的接触热导。对于轴对称的高斯型泵浦光分布，晶体棒侧面散热的不均匀导致晶体棒温度呈非轴对称空间分布，在晶体中产生随圆周发生变化的热效应。本文的研究重点是建立圆棒晶体与热沉间的接触散热模型，研究热界面物质厚度、热沉装配压力、晶体棒与热沉接触面粗糙度对二者间接触热导、晶体棒温度空间分布的影响。研究装配压力、泵浦功率、泵浦光半径对晶体棒端面温度非轴对称性的影响。研究装配压力、泵浦功率对出射光波前畸变、光斑形状以及光束质量因子的影响。论文主要内容分为四部分： 第一部分： 在采用两块带有半圆型凹槽的金属热沉夹持圆棒晶体散热结构的中，晶体棒侧面受到热沉装配的压强沿圆周方向发生变化，形成非轴对称分布的接触热导。在截断高斯型粗糙表面模型下，建立了晶体棒与热沉间塑性形变接触热导模型和弹性形变接触热导模型，得到了无热界面物质情况下、采用厚度相当于平均间隙厚度和远大于平均间隙厚度的热界面物质时晶体棒与热沉间的接触热导，提出间隙热导的概念描述晶体棒与热沉的整体接触性能。研究了装配压力、等效均方根粗糙度、等效平均绝对值斜率对晶体棒与热沉间接触热导及晶体棒温度分布的影响。研究结果表明：不采用热界面物质时，在塑性形变接触热导模型和弹性形变接触热导模型下，晶体棒与热沉间接触热导沿圆周角变化较大，接触热导在热沉凹槽底部达到最大，在两块热沉接触面方向最小；装配压力增大、等效均方根粗糙度减小、或等效平均绝对值斜率增大时，晶体棒与热沉间接触热导数值整体变大，沿圆周方向分布的均匀性变差，晶体棒温度整体降低。使用铟箔作为热界面物质时，接触热导及其均匀性得到很大提高，晶体棒温度整体降低，近似呈轴对称分布。 第二部分： 对于采用两块热沉夹持圆棒晶体散热的二极管端面泵浦固体激光器，不采用热界面物质时，晶体棒侧面的接触热导呈非轴对称分布，导致晶体棒温度梯度沿圆周方向发生变化，使得圆棒晶体中的热效应呈椭圆型分布。端面泵浦时，热耗主要集中在晶体棒泵浦端面附近，在截断高斯型粗糙表面模型和塑性形变接触热导模型基础上，主要研究了装配压力、泵浦功率、泵浦光半径对晶体棒端面温度分布非轴对称的影响。针对采用两块热沉夹持晶体散热时，圆棒晶体与热沉空间接触的不均匀性，研究了采用三块、四块热沉来夹持圆棒晶体散热时的热效应问题。研究结果表明：装配压力开始增大时，晶体棒与热沉间接触热导整体提高，而晶体棒侧面接触散热的均匀性变差，使得晶体棒端面同一圆周上的温差起伏变大；装配压力进一步增大，晶体棒侧面不同圆周角处的接触热导足够大时，晶体棒端面温度分布趋于轴对称。泵浦光半径从小变大的过程中，晶体棒端面同一圆周上的最大温差先减小后增大。增加泵浦功率，同一圆周上的温差最大值增大。采用三块热沉夹持圆棒晶体散热时，晶体棒侧面的压强、接触热导及晶体棒端面温度的周向均匀性得到改善，端面中心温度降低，采用四块热沉时，晶体棒侧面接触热导及端面温度沿周向变化最小，端面中心温度最低。 第三部分： 两块热沉夹持圆棒晶体散热时，晶体棒侧面的散热具有非轴对称的空间分布。此时，圆棒晶体温度空间分布呈三维变化，使得晶体中的热效应问题变得复杂。利用有限元方法计算晶体棒温度，从衍射积分理论出发，研究非轴对称的相位分布对激光光场模式的调制，得到激光光场分布，对光斑形状和激光光束质量因子进行研究。研究结果表明：采用两块热沉夹持晶体散热时，波前畸变呈非轴对称分布，中心波前畸变最大，随着半径增大而减小；波前畸变沿圆周方向发生变化，在热沉凹槽底部方向最大，在两块热沉接触面方向最小。装配压力增大，出射光波前畸变整体变小，周向均匀性提高，激光光斑偏圆度降低，热沉装配正侧面的光束质量因子同时减小；泵浦功率增大，波前畸变整体变大，周向均匀性变差，激光光斑偏圆度升高，正侧面的光束质量因子同时变大。采用三块、四块热沉夹持散热时，晶体热效应产生的附加相位具有周向较均匀的分布，激光光斑接近于圆形，光束质量质量因子减小。通过实验研究了采用两块热沉夹持圆棒晶体散热，不采用热界面物质，晶体棒侧面存在不均匀分布的接触热导时的激光光斑形状和光束质量因子。实验测量与理论计算结果基本一致。