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热容DPL激光介质热效应及激光特性研究

胡浩  
【摘要】:热容激光器激光发射时产生的热量储存在激光介质中,激光介质不冷却,冷却周期内再将这些热量排除。热容管理模式造成激光介质与传统的实时主动冷却方式有着不同的温度、应力特性及不同的激光输出特性。通过理论分析、数值模拟和实验研究等方法,对热容激光器的发射过程中激光输出特性和激光介质的热力学特性进行研究,掌握热容激光器工作的基本规律,为热容激光器的设计、实验提供重要的参考,为热容激光器的进一步发展提供必要支持。 对Nd:YAG和Nd:GGG晶体进行了简要地介绍。Nd:YAG在光学特性、热性能和机械特性等方面具有很大优势,但无法获得更大尺寸的晶体,限制了其在热容激光器中的进一步应用。Nd:GGG的热力学特性和Nd:YAG有一些差距,可是有着远远高于钕玻璃的机械强度和热导率,而且可以获得大尺寸,在热容激光器的进一步发展中具有非常大的吸引力。 建立了描述热容激光输出特性的理论模型,给出了输出功率随激光介质温升及激光发射时间的变化关系。数值模拟研究结果表明:掺杂0.6at.%的Nd:YAG激光介质的温度从300K升高到400K过程中,阈值功率密度从2.6W/cm~3增加到33.6 W/cm~3,输出功率下降7%;掺杂0.6at.%的Nd:GGG激光介质从300K升高到400K过程中,阈值功率密度从2.3W/cm~3增加到29W/cm~3。 为讨论激光介质温度、热应力的分布和变化,建立了激光介质热力学计算模型。该模型从激光介质的瞬态导热微分方程出发,首先得到沿纵向的热沉积功率密度,将其作为该微元段的热载荷加载到该微元段的泵浦区。考虑热容值、热导率、热膨胀系数和弹性模量等与温度的关系,得到激光介质的温度分布和变化,以及热应力的分布和变化。对Nd:YAG和Nd:GGG晶体的热力学特性数值模拟,得到了不同泵浦条件下的温度场和应力场,确定了热容激光器的热力学工作条件。。 介绍了350W的Nd:YAG热容激光器实验装置,和1380W的Nd:GGG热容激光器实验装置。测量了不同占空比情况下的输出功率,占空比越高输出功率随时间下降的越快,与数值模拟结果相符。在低占空比时,数值模拟和测量结果吻合较好;在高占空比时出现误差,而且是占空比越高误差越大。


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