基于梯度摻雜介質的重復頻率薄片激光放大器熱效應特性研究.pdf

1、激光驅動的慣性核聚變能源是比較可行的新型能源解決方案之一。由于激光慣性約束聚變能源應用對高能量、重復頻率運行的固體激光裝置的需求，世界各國的科學家正在積極開展高能量、重復頻率工作二極管泵浦固體激光裝置的研究工作，其中，由于高能量、重復頻率運行帶來的嚴重的熱負載問題是科研人員面臨的不同于以往的挑戰(zhàn)之一。
　　本論文通過理論建模與模擬計算的方法，探討了一種通過增益介質激活離子的梯度摻雜提高介質中熱沉積與冷卻空間耦合，提高介質散熱水平、

2、提高固體激光放大器熱管理效率的方法，解決了正泵薄片構型激光放大器熱沉積與冷卻異面造成的較大的溫度與溫度梯度，使其熱管理效果達到了與背泵薄片構型放大器相同甚至高于背泵薄片構型放大器的水平，而保留了正泵構型鍍膜簡單、泵浦光不受冷卻流體擾動的優(yōu)點。開展的主要研究工作如下:
　　1.針對介質內各種熱效應特性，建立了考慮增益介質的物理性質隨摻雜濃度與溫度變化的、三維含時的多物理場耦合模型。對正泵Yb∶YAG薄片構型放大器的溫度、應力-應變、

3、波前畸變、應力致退偏損耗與增益的特性進行了模擬計算;對不同介質、泵浦、冷卻參數下介質的熱特性與熱效應特性進行了討論。
　　2.開展了梯度摻雜介質熱效應特性的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)分析，研究結果表明:通過提高介質內的摻雜濃度梯度、降低介質厚度，介質的溫度、力學、光學特性將得到明顯的改善。但是，隨著摻雜濃度梯度的升高與介質片厚的降低，介質的增益水平將由于ASE效應降低。因此，在梯度摻雜介質的參數優(yōu)化設計中，需要綜合考慮熱效應的損耗與增益的關系，確

4、保放大器工作在最佳狀態(tài)。
　　3.基于對梯度摻雜介質特性的研究，針對輸出指標為10J、10Hz、10ns的Yb∶YAG激光放大器增益介質進行了優(yōu)化設計，結果表明:增益介質內的平均溫度降低了10.97K，溫度梯度由13.69K/mm下降到4.01K/mm。波前畸變最大值下降了6.4％，應力致退偏損耗的最大值下降了25.74％。在熱學、光學、力學特性改善的同時，放大器的單程增益較優(yōu)化前上升了11.11％。
　　4.由于在現有情況

5、下，制備摻雜濃度連續(xù)變化的介質存在一定困難。對實現難度較低的多片鍵合制備梯度摻雜介質方法的可行性進行了研究。結果表明多片鍵合介質可以起到提升放大器熱管理效能的作用。
　　5.開展了基于梯度摻雜介質方法提升固體激光放大器熱管理效能的可定標放大性研究。提出了薄片增益介質鍵合白片方案，在保證梯度摻雜介質熱管理性能的同時，增強了大口徑介質的機械強度。計算結果表明，在放大器口徑擴大的情況下，梯度摻雜介質內的平均溫度與溫度分布均基本保持不變，