高功率熱效應(yīng)補(bǔ)償固體激光器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、固體激光器的平均功率和光束質(zhì)量受限,其中關(guān)鍵問(wèn)題之一就是固體激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題。固體激光器高平均功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),介質(zhì)內(nèi)的溫度嚴(yán)重不均勻,這一不均勻的溫度分布所導(dǎo)致的熱應(yīng)力是限制固體激光器輸出功率提高的重要原因。而且,由于不均勻溫度分布和熱應(yīng)力的共同作用,在激光介質(zhì)中產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)和熱致雙折射效應(yīng),嚴(yán)重影響了激光的光束質(zhì)量和激光器的效率。從某種意義上講,高平均功率固體激光器的研制過(guò)程就是如何消除熱效應(yīng)的負(fù)面影響、克服熱透鏡、熱應(yīng)力、

2、熱畸變等不利因素的過(guò)程。因此,高功率固體激光器熱效應(yīng)問(wèn)題的研究以及高功率熱效應(yīng)補(bǔ)償固體激光器的設(shè)計(jì),是一個(gè)十分重要而有意義的研究課題。
　　 本文依托江蘇大學(xué)強(qiáng)激光技術(shù)研究所的于兆瓦重復(fù)率釹玻璃激光系統(tǒng),就激光介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng),應(yīng)力雙折射以及光斑質(zhì)量補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和分析。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種新型高功率熱效應(yīng)補(bǔ)償板條固體激光器系統(tǒng),并對(duì)設(shè)計(jì)的板條激光器系統(tǒng)進(jìn)行了初步的數(shù)值模擬與簡(jiǎn)要分析。論文研究的主要內(nèi)容如下:

3、　　 討論了激光棒溫度梯度和應(yīng)力的存在所導(dǎo)致的熱透鏡效應(yīng)和熱致雙折射效應(yīng),得到了熱透鏡焦距的計(jì)算公式和熱致雙折射效應(yīng)導(dǎo)致的激光畸變和激光功率的損耗。針對(duì)江蘇大學(xué)強(qiáng)激光技術(shù)研究所的千兆瓦重復(fù)率釹玻璃激光系統(tǒng),利用美國(guó)Spiricon公司的激光光束分析儀系統(tǒng)LBA-708PC系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)研究了重復(fù)牢高功率釹玻璃激光器抽運(yùn)時(shí)產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng),熱致應(yīng)力雙折射退偏效應(yīng)對(duì)輸出激光光束質(zhì)量產(chǎn)生的影響,以及為了消除或減小這些影響采取的補(bǔ)償手段；測(cè)量出熱

4、透鏡的焦距和會(huì)聚度,獲得了退偏后的偏振圖。同時(shí),進(jìn)一步的討論表明,隨著脈沖次數(shù)的增加,激光器的熱效應(yīng)逐漸顯現(xiàn),激光器的輸出能量明顯減小,而當(dāng)熱效應(yīng)穩(wěn)定下來(lái),激光器的輸出能量也趨于穩(wěn)定。
　　 針對(duì)固體激光器目前存在的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新型高功率板條激光器系統(tǒng),該激光器系統(tǒng)采取“三反射、激光介質(zhì)對(duì)稱(chēng)放置、對(duì)稱(chēng)抽運(yùn)和對(duì)稱(chēng)雙溫冷卻”的設(shè)計(jì)思路:在緊抱型陶瓷漫反射腔體中,以各自腔體的中軸線對(duì)稱(chēng)放置兩塊互相平行的尺寸、材料和性能相同的釹玻璃

5、激光介質(zhì)板條,抽運(yùn)源也分別以各自腔體的中軸線對(duì)稱(chēng)放置,冷卻采用雙溫循環(huán)全腔水冷方式,激光束經(jīng)過(guò)三次反射進(jìn)入另一個(gè)釹玻璃板條,以獲得高重復(fù)頻率、高功率、長(zhǎng)氙燈壽命、低放大的自發(fā)輻射(ASE)、微弱波面畸變的高質(zhì)量光束。
　　 利用LASCAD激光器設(shè)計(jì)與分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的板條激光器系統(tǒng)進(jìn)行了初步的數(shù)值模擬,建立了板條激光器系統(tǒng)有限元模型,獲得了晶體熱負(fù)載與溫度分布、晶體熱形變與應(yīng)力分布、激光輸出功率以及激光光強(qiáng)與相位分布。模擬結(jié)果表