摻釹玻璃微球陣列激光器及其熱管理研究.pdf

1、ResearchonSolidMicrospheresLaserandItsThermalManagementThesisSubmittedtoNanjingUniversityofPostsandTelecommunicationsfortheDegreeofMasterofEngineeringByDingJianyongSupervisor：ProfPengBoMarch2013摘要近年來(lái)，高平功率、高能量輸出的激光器在社會(huì)各領(lǐng)域

2、得到廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前激光技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。在追求激光系統(tǒng)高平均功率輸出時(shí)，固體增益介質(zhì)的熱效應(yīng)問(wèn)題就會(huì)顯得尤為突出。為解決固體激光器的熱效應(yīng)問(wèn)題，本文提出了一種新的激光器構(gòu)型，該型激光器將固體顆粒(釹玻璃微球)規(guī)則排列在比色皿中，以釹玻璃微球作為激光增益介質(zhì)，折射率匹配液循環(huán)流動(dòng)。該構(gòu)型激光器即繼承了固體激光材料良好的激光性能，又具有液體激光器的可流動(dòng)性，是目前效率最高的冷卻方式。本論文首先論述了高能激光系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程及最新

3、的科研成果。然后基于四能級(jí)激光系統(tǒng)速率方程推導(dǎo)了激光器的輸出功率、閾值及影響激光輸出的相關(guān)因素，為下一步的實(shí)驗(yàn)打好理論基礎(chǔ)。泵浦系統(tǒng)是激光器的關(guān)鍵部分之一，本文采用ZEMAX軟件對(duì)泵浦耦合系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真和優(yōu)化，使泵浦耦合效率最大化。接著，結(jié)合LD泵浦源和釹玻璃微球物理參數(shù)，研究了增益區(qū)吸收泵浦能量后的溫度分布情況。鑒于激光器的增益區(qū)在進(jìn)行熱分析時(shí)涉及到熱學(xué)、流體力學(xué)和激光光學(xué)的知識(shí)，本文通過(guò)FLUENT6326建立了微球陣列流場(chǎng)的熱流

4、固三維物理場(chǎng)耦合模型進(jìn)行仿真分析，研究了釹玻璃微球陣列的溫度分布與自身尺寸、匹配液流速、微球?qū)訑?shù)和泵浦頻率的變化關(guān)系及其對(duì)波前畸變的影響。在實(shí)驗(yàn)階段，重點(diǎn)研究了微球陣列激光器的理化特性。首先，制備了不同直徑的摻Nd升的玻璃微球和不同折射率的匹配液，測(cè)試了玻璃微球的折射率、吸收光譜、熒光光譜及匹配液的折射率溫度系數(shù)，對(duì)各樣本的耐溶性和光照穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了該構(gòu)型增益介質(zhì)用于高功率激光系統(tǒng)的可行性。然后，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控液體壓力

5、和溫度，具有高潔凈度的循環(huán)系統(tǒng)，搭建了片狀釹玻璃激光器和不同直徑的釹玻璃微球陣列激光器的實(shí)驗(yàn)光路，成功地實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)循環(huán)條件下的激光振蕩輸出。在實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)測(cè)試了泵浦系統(tǒng)的耦合效率、微球陣列激光器的斜率效率和脈沖寬度，獲得了微球陣列激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，采集了激光器連續(xù)200次脈沖工作下的激光輸出能量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該激光器最大單脈沖能量為115mJ，峰值功率可達(dá)115KW。本文對(duì)于折射率匹配液冷卻的摻釹玻璃微球陣列激光器的研究，為解決固體激光