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高平均功率固体激光的热效应研究

汪晓波  
【摘要】: 世界上第一台激光器就是固体激光器(红宝石激光器),然而到了今天,经过几十年的发展,固体激光器的最高平均功率水平却很难与化学激光器媲美,其中关键原因就是固体激光器中存在严重的热效应问题。本文对高平均功率固体激光器及其频率转换的热效应进行了相关研究,主要包括三部分内容: 第一部分针对稳态连续波固体激光器的热效应,细致研究了连续波棒状激光器侧面冷却、侧面泵浦时存在的热透镜和热致双折射效应。 严格推导了棒状激光器热透镜的焦距公式,发现Koechner之前推导的热透镜焦距公式时认为“热应力变形的影响局限在局部区域,棒的变形只出现有限长度的两端”的假设有误,进而进行了理论修正。采用了波前曲率传感器测量研究了侧面水冷、环绕泵浦的Nd:YAG激光器的热透镜焦距。研究结果表明:温度导致的折射率变化和热应力导致的变形是热透镜形成的主要原因,变形发生在整个棒的区域内而不是两端的局部区域,验证了修正热透镜公式的正确性。 由于有限长度的棒两端区域复杂的应力分布及其导致的弹光效应都无法通过解析式表达,采用了有限元分析软件ANSYS进行数值计算。通过计算发现端面效应对径向偏振光的光程改变不多,但是对切向偏振光影响严重。 第二部分针对固体热容激光器热效应的特点,重点研究了热容工作模式下固体激光介质中的温度分布、热透镜及热致功率下降效应。 为了改善固体激光器中严重的热效应问题,近年来热容激光器发展迅速。热容模式是在激光发射期间工作介质不主动散热冷却,从而来避免散热梯度的影响。这种方法简单易行,效果明显,能够有效提高固体激光器的平均功率上限。实验方面,我们研制了一台平均输出功率约为2000W的Nd:glass棒状热容激光器;同时理论上也研究了热容模式下棒状激光介质内的温度场分布。 测量棒状介质内的温度分布是一个工程难题,不同于使用热电偶、热像仪等仪器的传统温度测量方法,我们通过Hartmann传感器测量准直光经过热容激光器工作介质后的波前畸变,根据热容模式下波前畸变与温度之间的特定关系,推算出激光介质内的温度分布,实现了温度分布的非接触式测量。测量结果表明,热容激光介质中的温度分布相对均匀,热容模式下平均功率2000W的灯泵棒状激光器,温差峰谷值ΔT_(pv)约10℃,与理论计算基本符合;但泵浦的不均匀性等原因是目前棒状热容激光器光束质量普遍不好的主要原因之一。 利用波前曲率传感器测量热容模式下激光介质造成的波前畸变,进而推算出激光介质内的热透镜随时间的演化。分析了曲率传感器用于测量热透镜效应的影响因素及测量精度。进一步,利用曲率传感器对热容模式下激光介质的热透镜进行了动态测量。研究表明:棒状激光介质工作在热容模式下能够有效改善热透镜效应,热容模式下平均功率2000W的棒状激光器热透镜非常微弱,焦距长达数十米甚至上百米。 棒状热容激光器受到泵浦光不均匀吸收的严重影响,而热容工作方式盘片激光器较容易实现均匀泵浦,能消除散热梯度的影响。论文在分析了盘片激光介质工作在热容模式下介质内的温度分布及其导致的影响的基础上,设计了一套简洁的盘片热容激光器,并在设计中利用盘片激光介质本身形成冷却通道。 针对固体热容激光器发射期间输出脉冲能量的下降的现象,分析了热容模式下激光介质温度升高导致激光介质物理特性、光学特性的改变,研究发现温升引起的发射截面改变是导致激光增益下降、泵浦阈值升高和输出功率明显下降的主要原因,另外吸收截面的改变也会略微影响泵浦光吸收效率。 第三部分针对高平均功率频率转换时非线性晶体内的热效应,理论分析了非线性晶体中废热导致的晶体内部温度不均匀分布对晶体的相位匹配条件的影响。 研究指出单个周边散热的方形截面或者圆形截面的非线性晶体有效转换的平均功率上限取决于基频波的频率、非线性晶体的热导率、破坏阈值、折射率、有效非线性系数、温度容限等,而这些参数往往难以提高。提出了采用大面散热的板条状晶体进行频率转换的概念并研究了平均功率上限还和板条的纵横比的关系,指出可以通过提高板条的纵横比来大幅度提高有效转换的平均功率上限。


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