تحلیل ترمومکانیکی لیزرهای فیبری ایتربیم:یاگ تک هسته ای و چهارهسته-ای تحت دمش طولی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی گلپایگان، گلپایگان، ایران.

چکیده

در این مقاله به بررسی رفتار ترمومکانیکی یک فیبر لیزر تک غلافه ایتربیم:یاگ تحت دمش طولی پیوسته پرداخته میشود. فیبر به دو صورت تک‌هسته‌ای و چهارهسته‌ای مدل‌سازی شده و درمحیط نرم‌افزاری المان محدود شبیه‌سازی میگردد. برای تعیین توزیع دما و تنش در بلور، به دلیل تقارن در بار حرارتی و هندسه، مدل یک‌چهارم به‌کاررفته است. از آنالیز میدانهای کوپله حرارت-سازه در محیط نرم‌افزاری بهره گرفته‌شده و ابتدا توزیع دما در بلور محاسبه و سپس میدان تنش در دو فیبر تک‌هسته‌ای و چهار هسته‌ای تعیین می‌شود. نتایج نشان میدهد که در یک توان مشخص، فیبر چهار هسته‌ای نسبت به فیبر تک‌هسته‌ای دارای بیشینه تنش کوچک‌تری بوده و توان دمشی شکست آن به‌مراتب بزرگ‌تر از فیبر تک هسته ای می‌باشد. درنهایت آثار حرارتی دمش شامل عدسی شدگی در دو بلور چهار هسته‌ای و تک‌هسته‌ای باهم مقایسه شده و نشان داده می‌شود که ازنظر ترمومکانیکی فیبر چهار هسته ای دارای عملکرد مناسبتری می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Thermo-mechanical analysis of single and four-core Yb:YAG fiber lasers under end-pumping

نویسندگان [English]

  • Ehsan Amiri
  • Mahdi Mojahedi
Mechanical Engineering Department, Golpayegan University of Technology, Golpayegan, Iran.
چکیده [English]

The solid state lasers consist of host mediums that are doped by an active ions. The host environment is built in the form of slab, rod, disk and fiber according to the geometric shape. In most cases, the solid lasers can be stimulated by diode pumping. During the pumping, some of the pumping energy at the crystal is converted to heat and this heat causes the temperature gradient in the crystal. The temperature gradient can produce thermal stresses and even lead to fracture in the crystals. In the fiber lasers, these phenomena disturb the laser operation and decrease the maximum input power of the laser. In this paper, the thermo-mechanical behavior of single clad Yb:YAG fiber laser is discussed under continuous end pumping. The single clad fibers have been modeled with single and four cores and they are simulated by finite element software (Ansys). Since the thermal loading and geometry of the fiber have symmetry planes, in the modeling, one quarter model is used to determine the temperature and stress distributions. In the Ansys software, the coupled thermal-structural analysis is utilized. First, the temperature distribution is calculated in the thermal environment of the software and then thermal stress fields for single core and four-core fiber lasers are obtained by applying the temperature distributions calculated through the thermal analysis. In the analysis, the mesh dependency is evaluated and for achieving convergence, the required number of element is determined. The temperature distributions in single and four core fibers, with two positions for cores, are calculated. For any case, the calculated temperatures are compared with each other and the position of core related to smaller temperature is selected. The results show that, in comparison to single-core fiber, a four core fiber has smaller maximum stress at the same power and higher pumping fracture power. Finally the other thermal effects of the pumping, including thermal lensing, for single and four core fiber are compared with each other and it is shown that the four core fiber laser has better performance in terms of thermomechanical output.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fiber laser
  • Yb:YAG Crystal
  • Four core
  • Continuous Pumping
  • Thermal-Structural Analysis