توصيفگر ها :
Nd:YAG , دمش طولي پالسي , بلور ميله اي , تئوري انتقال حرارت غير فوريه
چكيده فارسي :
چكيده
در بلور ليزري تحت دمش، مقداري از انرژي فوتون¬ها صرف توليد حرارت در بلور مي¬گردد. توليد شدن اين گرما باعث به وجود آمدن انتقال حرارت هدايتي در بلور ليزر و توزيع دماي غيريكنواخت در آن مي¬شود. انتقال حرارت هدايتي از طريق دو تئوري كلاسيك (فوريه) و اخيرا غيركلاسيك (غيرفوريه) مورد مطالعه قرار مي¬گيرد. در بلور ليزر چنانچه حرارت در حالت گذرا توليد گردد، استفاده از تئوري دقيق¬تر غيرفوريه جهت بررسي آثار حرارتي دمش ضروري مي¬باشد. در اين پژوهش از طريق روش¬هاي المان محدود و تحليلي به بررسي انتقال حرارت و توزيع دما در بلور ميله¬اي Nd:YAG تحت دمش طولي پيوسته و پالسي پرداخته‌شده است. در تحليل انتقال حرارت از تئوري غيركلاسيك (غيرفوريه) و كلاسيك (فوريه) استفاده مي¬شود و نتايج دو روش تحليلي و المان¬محدود (پس از همگراسازي) با يكديگر مقايسه مي¬گردد. سپس با استفاده از روش المان محدود، تنش‌ها براي حالتي كه منبع دمشي به‌صورت پيوسته و پالسي مي¬باشد، در دو تئوري انتقال حرارت كلاسيك و غير كلاسيك در توان‌هاي ورودي مختلف محاسبه گرديده است. تنش¬هاي پيوسته به دست آمده ناشي از تئوري كلاسيك با نتايج نرم افزار انسيس صحه¬گذاري و نتايج به¬دست آمده در دو تئوري باهم مقايسه شده‌اند. در انتها نيز با محاسبه دقيق تنش و دما از طريق تئوري انتقال حرارت غير فوريه به بررسي پديده‌هاي دو شكستي و عدسي شدگي پرداخته‌شده است. نتايج نشان مي¬دهد كه در حالتي كه دمش به‌صورت پيوسته اعمال مي‌گردد دما و تنش‌هاي بدست آمده از تئوري غيرفوريه بزرگ‌تر از حالت فوريه مي‌باشند. اما در حالت دمش پالسي مشاهده مي‌گردد كه ميزان دما و تنش به‌دست‌آمده از تئوري غيرفوريه كمتر از تئوري فوريه است. اين پديده با بررسي سرعت انتشار گرما و نسبت زمان آسايش به زمان اعمال پالس توجيه مي‌گردد. به دليل بينهايت فرض شدن سرعت انتشار گرما در تئوري انتقال حرارت فوريه، هنگامي‌كه بلور تحت دمش تك پالس قرار مي‌گيرد، كل گرماي داده‌شده ناشي از دمش در آن ذخيره مي‌گردد؛ اما در تئوري غيركلاسيك، سرعت انتشار گرما محدود فرض مي‌شود، درنتيجه هنگامي‌كه بلور تحت دمش تك پالس قرار مي‌گيرد، در نسبت زمان‌هاي آسايش قابل‌توجه، به دليل پالسي بودن گرماي اعمال‌شده، مقدار كمتري از نرخ گرماي اعمال‌شده در بلور ذخيره مي‌گردد (صرف افزايش دما مي‌شود). بنابراين دما و تنش بيشينه محاسبه‌شده در مدل كلاسيك بيشتر از مدل غير كلاسيك مي‌باشد. درنتيجه مدل فوريه تنش‌هاي حرارتي بزرگ‌تر و توان شكست كوچكتري را پيش‌بيني مي¬نمايد.
چكيده انگليسي :
Abstract
There is an amount of photon’s energy in the pumped laser crystal, which produces heat source. This source contributes to conduction heat transfer among the crystal and it makes a non-uniform temperature distribution. The conduction heat transfer can be studied using classical (Fourier) theory and recently, nonclassical (non-Fourier) theory. In the case of laser crystal, which the heat is generated in transient state, it is essential to use more accurate non-Fourier theory to investigate the thermal effects. In this research, heat transfer and temperature distribution upon a continuous and pulsed end-pumped Nd:YAG rod crystals are investigated using analytical and finite element methods. In the heat transfer analysis, one uses the nonclassical (i.e. non-Fourier) and classical (Fourier) theories and after convergence, the results of analytical and finite element method are compared with each other. Using finite element method, thermal stresses of the crystal that is under continuous and pulsed pumping, are calculated at the various input power for the case of classical and nonclassical heat conduction. Thermal stresses due to continuous pumping obtained by finite element formulation are verified by those calculated by Ansys software and the results of classical and nonclassical theory are compared with each other. Finally, by exact determination of temperature and stress distribution through non-Fourier heat conduction, the thermal lensing and birefringence phenomena are investigated. Results show that for continuous end pumping, temperatures and stresses obtained by non-Fourier theory are larger than those calculated by Fourier theory at the same powers. While for pulsed pumping, it is shown that the Fourier theory predicts larger temperature and stress compared to the non-Fourier theory. In addition, when the relaxation time increases, maximum values of temperature and stress decrease for nonclassical theory. This phenomena can be explained by heat diffusion and the ratio of relaxation time to duration time of pulsed pumping. Since the heat diffusion speed is assumed to be infinite for Fourier heat conduction theory, when crystal is exposed to single pulsed-pumping, all the heat energy of pumping will be stored. However, the heat diffusion speed is assumed to be finite for nonclassical theory. As a result, when the crystal is pumped under single pulsed condition, less amount of heat will be stored. So, it is observed that, the Fourier theory predicts the higher thermal stresses and lower failure pumping power compared to non-Fourier theory.
