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《国防科学技术大学》 2010年
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传导冷却端面泵浦板条放大器热效应研究

刘亮  
【摘要】:获得高功率高光束质量的激光输出一直是固体激光器研究者追求的目标,要同时实现高功率和高光束质量的一个关键性问题是如何对固体激光介质进行有效地热管理。 传统的棒状固体激光介质中热效应问题十分严重,随后人们提出了板条激光器方案,由于激光在板条内部沿zigzag光路传输,热效应的影响被大大降低。本文首先对棒状激光器中的热效应问题进行了理论研究,然后,着重对传导冷却端面泵浦板条放大器(CCEPS)中的热效应问题,进行详细地理论和实验研究。 在棒状激光器热效应理论模型研究方面,我们对工作在稳态和瞬态模式下,侧面泵浦棒状激光器中的热效应问题进行了理论分析。对克希耐尔热透镜焦距计算公式,及汪晓波的修正公式进行了比较分析,数值分析结果表明:高估材料热导率、忽略泵浦的非均匀性是导致克希耐尔热透镜焦距公式低估热效应的主要原因。推导了Nd:YAG、Nd:Glass棒状热容激光器中,热致波前畸变及退偏损耗的时空分布公式,结果表明:热致波前畸变正比于棒截面上的温度差分布;同等制冷条件下,若介质中产生的废热相同,Nd:YAG与Nd:Glass中的热致退偏损耗大小相当。 在板条激光器热效应理论模型研究方面,我们采用傅里叶级数展开法,推导了二维复合板条介质中的温度场分布公式;详细推导了YAG板条晶体中的压光张量计算公式,指出并证明了前人研究工作中,YAG晶体压光张量的计算错误,建立了热效应修正模型。采用上述模型,我们对简化的二维复合介质板条中的热效应问题进行了研究,对zigzag光路消除热效应的能力获得了初步的认识。随后,我们建立三维模型,分析了非理想散热条件,对热光效应和弹光效应导致的波前畸变,以及热退偏效应的影响。分析结果表明:Nd:YAG板条介质中,热光效应导致的波前畸变远大于弹光效应导致的波前畸变;zigzag光路可以有效减小板条厚度方向的波前畸变,但是不恰当的复合板条结构参数、激光在板条内部较小的反射次数、散热的非均匀性都会严重影响zigzag光路减小热效应的效果。板条放大器中,热应力导致的退偏损耗很小(0.5%),可以忽略不计。最后,我们实现了有限元分析软件ANSYS与光学分析软件ASAP的接口转换,为模拟形变场对光场的影响提供了一种分析方法。 在实验研究方面,我们对板条晶体中的温度场分布、未掺杂YAG晶体的吸收谱,以及板条激光器输出激光的光束质量进行了测量,并定性分析了安装应力对板条放大器工作性能的影响。温度测量结果表明:在复合板条的两端,未掺杂YAG晶体存在很高的温升。吸收谱线测量结果表明未掺杂YAG晶体对808nm泵浦光存在一定的弱吸收(0.015cm~(-1)@808nm) ,数值分析结果证明了未掺杂晶体对泵浦光的吸收是导致未掺杂晶体存在极高温升的主要原因。哈特曼波前传感器测量结果表明板条放大器输出光束宽度方向存在热透镜效应,数值分析结果表明热沉宽度大于板条宽度是导致板条宽度方向出现较大波前畸变的原因之一。设计实验定性分析了安装应力对板条放大器工作性能的影响,发现不恰当的安装方式将导致输出光束的波前发生严重的畸变。 2009年,研究人员提出了一种新的板条放大器结构(the Compact Face-Folded INternally (COFFIN) amplifier),本文对其中的热效应问题进行了分析,结果表明:COFFIN板条热效应问题严重,不适合作为高功率高光束质量激光器增益介质。在此基础上,我们提出了一种六边形板条激光介质的改进设计方法,数值分析结果表明:与COFFIN板条相比,该构型激光介质中的热致波前畸变更易于补偿。在同等光束质量激光输出水平下,六边形之字光路板条输出功率是COFFIN板条的2~3倍。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN248.1

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