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全固态太阳光泵浦激光器热效应分析

许维琛 张海洋 赵长明

许维琛, 张海洋, 赵长明. 全固态太阳光泵浦激光器热效应分析[J]. 应用光学, 2023, 44(6): 1219-1227. doi: 10.5768/JAO202344.0610008
引用本文: 许维琛, 张海洋, 赵长明. 全固态太阳光泵浦激光器热效应分析[J]. 应用光学, 2023, 44(6): 1219-1227. doi: 10.5768/JAO202344.0610008
XU Weichen, ZHANG Haiyang, ZHAO Changming. Thermal effect analysis of all-solid-state solar pumped laser[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(6): 1219-1227. doi: 10.5768/JAO202344.0610008
Citation: XU Weichen, ZHANG Haiyang, ZHAO Changming. Thermal effect analysis of all-solid-state solar pumped laser[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(6): 1219-1227. doi: 10.5768/JAO202344.0610008

全固态太阳光泵浦激光器热效应分析

doi: 10.5768/JAO202344.0610008
详细信息
    作者简介:

    许维琛(2000—),男,博士研究生,主要从事新型光电子器件与技术研究。E-mail:3120235128@bit.edu.cn

    通讯作者:

    张海洋(1981—),男,博士,副教授,主要从事新型光电子器件与技术研究。E-mail:ocean@bit.edu.cn

  • 中图分类号: TN242

Thermal effect analysis of all-solid-state solar pumped laser

  • 摘要: 太阳光泵浦激光器是将太阳光直接转化为激光的装置,具有能量转换环节少、效率高、结构简单可靠、性能稳定以及无污染等优点。对应用于空间环境(4 K)的全固态太阳光泵浦激光器进行了建模,并对泵浦太阳光收集阶段进行了热效应分析。先后考虑两种安装底座和四种太阳光线偏转情况,运用ANSYS Workbench@热分析软件分别进行了稳态热分析。针对第一种情况得到的可行性验证,提出了下一步的改进优化意见,并初步设想进行实际模型搭建和测试。针对第二种不可行情况,提出了几种可能的改进措施,并对未来的工作进行了展望。该研究为太阳光泵浦激光器在空间环境中的实际应用提供了一种全新的、采用全固态传导冷却方式温控系统的可行方案,为未来空间太阳光泵浦激光器能够得到实际应用提供了研究资料。
  • 图  1  全固态太阳光泵浦激光器简化热分析模型

    Fig.  1  Simplified thermal analysis model of all-solid-state solar pumped laser

    图  2  太阳光发射光谱

    Fig.  2  Solar emission spectrum

    图  3  菲涅尔透镜稳态温度分布图

    Fig.  3  Steady-state temperature distribution diagram of Fresnel lens

    图  4  锥形腔前表面辐照度分布图

    Fig.  4  Irradiance distribution diagram of front surface of conical cavity

    图  5  稳态热分析结果图(等值线图)

    Fig.  5  Diagram of steady-state thermal analysis results (contour map)

    图  6  晶体棒及锥形腔部分的热量分布曲线图

    Fig.  6  Heat distribution curves of crystal rod and conical cavity

    图  7  太阳光辐照度分布图

    Fig.  7  Solar irradiance distribution diagram

    图  8  稳态热分析结果图

    Fig.  8  Diagram of steady-state thermal analysis results

    图  9  太阳光辐照度分布图

    Fig.  9  Solar irradiance distribution diagram

    图  10  稳态热分析结果图

    Fig.  10  Diagram of steady-state thermal analysis results

    图  11  太阳光辐照度分布图

    Fig.  11  Solar irradiance distribution diagram

    图  12  稳态热分析结果图

    Fig.  12  Diagram of steady-state thermal analysis results

    图  13  稳态热分析结果图

    Fig.  13  Diagram of steady-state thermal analysis results

    图  14  稳态热分析结果图

    Fig.  14  Diagram of steady-state thermal analysis results

    图  15  稳态热分析结果图

    Fig.  15  Diagram of steady-state thermal analysis results

    图  16  稳态热分析结果图

    Fig.  16  Diagram of steady-state thermal analysis results

    表  1  激光器简化模型各部分材质及对应热导率

    Table  1  Materials and corresponding thermal conductivity of each part of simplified laser model

    结构材质各向同性热导率/
    (W/(m·K))
    晶体棒Nd:YAG14(20 ℃);
    10.5(100 ℃)
    锥形腔YAG14(20 ℃);
    10.5(100 ℃)
    铜基座和模型后底座397
    菲涅尔透镜聚甲基丙烯酸甲酯
    (PMMA)
    0.19
    外壳铝合金151
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    表  2  太阳光光线追迹辐照度分布

    Table  2  Solar ray tracing irradiance distribution

    光源绕
    X轴旋转
    上面下面侧左面侧右面后面1面2面
    1.21.11.11.36.85.4130.9
    5.41.21.21.415.919.7123.0
    5.76.71.21.433.852.780.2
    6.01.61.21.451.2105.34.5
    6.11.61.21.473.870.01.5
    5.71.91.21.4122.45.60.4
    10°5.410.01.21.5134.40.20.1
    15°6.125.51.41.5113.90.10
    20°6.151.31.92.477.00.10
    25°9.1121.24.14.612.30.10
    30°10.6112.66.46.38.20.10
    35°10.8103.47.56.87.60.10
    40°10.495.37.67.13.90.10
    50°8.766.77.87.21.900
    60°6.042.66.35.40.700
    70°4.122.13.33.70.300
    80°1.07.80.81.40.100
    90°0000000
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    表  3  结果汇总

    Table  3  Summary of results

    光线偏
    转角度
    简化后
    受热情况
    最高温度(位置)结论
    晶体棒及其锥形腔受热440.66 K(晶体棒)可行
    模型底座内表面及
    铜基座前表面受热
    389.46 K(晶体棒)可行
    10°菲涅尔透镜及模型
    底座内表面受热
    353.88 K(菲涅尔透镜)可行
    25°菲涅尔透镜及铝壳
    下内表面受热
    435.97 K(铝壳)可行
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    表  4  结果汇总

    Table  4  Summary of results

    光线偏转角度简化后受热情况结论
    菲涅尔透镜、晶体棒及其锥形腔受热不可行
    菲涅尔透镜、模型底座内表面及铜基
    座前表面受热
    不可行
    10°菲涅尔透镜及模型底座内表面受热不可行
    25°菲涅尔透镜及铝壳下内表面受热不可行
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-18
  • 修回日期:  2023-09-27
  • 网络出版日期:  2023-10-14
  • 刊出日期:  2023-11-22

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