圆截面激光晶体热变形的弹性力学分析

论文摘要

激光二极管(LD)抽运的全固态激光器(DPSSL)有着广泛应用。抽运光在激光晶体中产生的热效应是影响全固态激光器工作特性的主要因素之一,激光晶体热变形是大功率激光二极管泵浦固体激光器研究中的重要问题,本文运用热弹性力学方法分析了激光晶体的热变形。在物理上通常是先求解激光晶体中温度场分布并计算热应变,然后对热应变积分计算晶体的热变形量,计算时并未考虑晶体各部分变形的相互约束。本文首次应用弹性力学理论进行端面形变的计算。即对圆截面激光晶体,建立了晶体热变形的热弹性力学微分方程和边界条件；对微分方程进行简化,并利用级数法和伽辽金法求解方程,得到了圆截面激光晶体热变形量的解析表达式；借助有限元计算软件ANSYS对晶体抽运端热变形量进行了数值分析,并就分析结果与传热学结果进行了对比。计算结果分析表明,当晶体泵浦面最大变形相同时,用传热学方法和热弹性力学有限元法得出的晶体泵浦面变形有明显差异：(1)热弹性力学的变形大于传热学计算的变形；(2)在泵浦面上,弹性力学计算的变形量减小较慢,而传热学计算的变形减小较快；(3)在泵浦面边缘,弹性力学计算的变形量不等于零,而传热学计算的变形等于零。在分析中还得到一些参数对热变形的影响,为激光晶体设计的优化,为减小激光晶体热效应提供了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 温度场的研究
• 1.2.2 热变形的研究
• 1.3 论文研究内容
• 2 热变形分析的基本理论
• 2.1 热分析理论
• 2.1.1 热传递的几种形式
• 2.1.2 温度场的描述
• 2.2 热弹性力学基本方程
• 2.3 弹性力学问题的求解方法
• 3 圆截面激光晶体热变形的弹性力学分析
• 3.1 晶体分析模型
• 3.2 圆截面激光晶体热变形的理论分析
• 3.2.1 晶体的热弹性力学方程
• 3.2.2 晶体热变形的求解方法及求解过程
• 4 热变形数值分析
• 4.1 有限单元法的基本思想
• 4.2 ANSYS软件热分析简介
• 4.2.1 热分析简介
• 4.2.2 温度场简介
• 4.2.3 热变形求解简介
• 4.2.4 热分析求解步骤
• 4.3 分析过程
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学位论文
• 附录
• 附录1 晶体热变形的ANSYS分析过程