基于FVM-FEM耦合法的大功率拉曼腔金刚石综合热分析

金刚石拉曼激光器具有极高的导热系数和较低的热膨胀系数，但在高功率金刚石拉曼激光器中仍然存在热效应，这对其功率缩放提出了挑战。

近日，河北工业大学先进激光技术研究中心白振旭团队以及河北工业大学能源与环境工程学院张展鹏等相关研究人员在不同的泵条件下对金刚石中的温度梯度和应力分布的动力学进行了数值模拟。泵浦半径100 μm，吸收功率高达200 W（对应千瓦级输出功率），毫米金刚石热稳态建立时间仅为50 μs，整体热致金刚石的变形小于 2.5 μm。还研究了金刚石变形与拉曼腔稳定性之间的关系。这些结果为在输出功率达到千瓦级时更好地优化金刚石拉曼激光器的性能提供了一种方法。

相关研究成果以“Comprehensive Thermal Analysis of Diamond in a High-Power Raman Cavity Based on FVM-FEM Coupled Method ” 为题，发表在《nanomaterials》上。

图文导读

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图1. 用于模拟的 DRL 图示（插图：钻石中光束传播的俯视图）

表 1. 金刚石参数和模拟设置

图2. 金刚石在加热过程中不同热功率下的温度变化(上:中心，中:上表面，下:差值)。镶嵌:热源半径为60µm，功率分别为(a) 20 W和(b) 200 W的金刚石中的温度等值线。

图3. 不同热半径的金刚石在加热过程中的温度变化(上:中心，中:上表面，下:差值)。镶嵌:金刚石中吸收功率为140w，热源半径为(a) 40µm， (b) 100µm的金刚石中的温度等值线。

图4. (a)不同的吸收功率(60µm的热半径)和(b)不同的热半径(140 W的热半径)下，金刚石冷却过程中的温度变化。

图5. 金刚石在无热量累积的情况下重复运行时的温度变化图。

图 6. 不同功率和热源半径下金刚石的热变形轮廓。插图：（a）20 W 和（b）200 W，声源半径分别为 60 μm。

图 7. ( a ) 斯托克斯束腰和 ( b ) 泵浦束腰作为金刚石热焦距的函数。

结论与展望

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本文基于FVM-FEM耦合数值方法，研究了高功率工作条件下金刚石晶体温度随时间的变化规律，以及形状变量对谐振腔模式的影响。结果表明，金刚石达到热稳态的时间与吸收功率无关，仅与腔内Stokes光束的腰半径成正相关。当DRL的输出功率在kW左右时，通过调整谐振腔的长度，可以很容易地补偿由于金刚石的微小变形引起的谐振腔束腰的变化。我们的研究在金刚石拉曼激光器的设计和工作功率之间架起了一座桥梁，对实现热影响范围内的高效率功率输出具有重要意义。同时，为大功率DRLs的运行和热管理奠定了理论基础。

文献链接：https://doi.org/10.3390/nano11061572