熱效應(yīng)嚴重限制了高功率、高光束質(zhì)量固體激光器的進一步發(fā)展。發(fā)展適用于重頻、大能量激光器的新型熱管理技術(shù)顯得十分必要。 本論文首先改進了已有的光熱耦合的熱效應(yīng)分析理論,然后在此基礎(chǔ)上,采用低溫技術(shù)、相變冷卻技術(shù)和徑向偏振光技術(shù),對Nd:glass、Yb:YAG固體激光器熱管理進行了研究。主要內(nèi)容包括以下四個方面: 1.光熱耦合的熱效應(yīng)分析理論 (1)對傳統(tǒng)熱效應(yīng)分析模型的改進和補充采用光線追跡方法,以二極管的微激射元為基本單位,設(shè)計高功率激光二極管陣列的端面泵浦耦合系統(tǒng),并將光線追跡的結(jié)果作為介質(zhì)熱分析的生熱源。建立了三維、瞬態(tài)的有限元模型求解介質(zhì)的溫度場、熱應(yīng)力分布,并提出了一種基于實測泵浦光斑求解熱致波前畸變的方法,討論了泵浦不均勻性的影響。實驗上測量泵浦光斑,驗證了泵浦耦合系統(tǒng)設(shè)計模型;使用熱像儀測量釹玻璃介質(zhì)的溫度分布,校驗了有限元方法的熱傳輸計算模型。相比于傳統(tǒng)模型,微激射元作為基本單位、實測泵浦光斑作為載荷等方法使模型更接近實際情況。 (2)基于統(tǒng)計學的熱致斷裂概率分析模型及介質(zhì)泵浦極限研究研究了熱致斷裂應(yīng)力的評判標準和臨界值概念,建立了一種統(tǒng)計學的熱致斷裂概率分析模型,分析了介質(zhì)尺寸、應(yīng)力、斷裂概率三者的對應(yīng)關(guān)系。分別研究了釹玻璃、Yb:YAG兩種介質(zhì)的斷裂極限功率和吸收極限功率,指出不同重復頻率下的泵浦極限機制不同。對17 kW,1 Hz泵浦的釹玻璃介質(zhì)進行了斷裂實驗。 (3)評估介質(zhì)表面對流換熱系數(shù)的方法提出了一種基于快響應(yīng)熱電偶測量不銹鋼“替代片”溫度變化,結(jié)合有限元計算模型反推表面對流換熱系數(shù)的方法。通過尋求實測溫度值和不同模擬參數(shù)下溫度值的最小方差,得出某Yb:YAG放大器冷卻構(gòu)型表面對流換熱系數(shù)值為3500 W/(m2 K)。該方法解決了對流換熱系數(shù)計算模型不統(tǒng)一、實驗中難以測量的問題。2.液氮制冷的低溫Yb:YAG激光器 低溫下激光介質(zhì)的熱特性大幅改善,受激發(fā)射截面大幅提高。本文首先從材料特性的角度分析了溫度對Yb:YAG介質(zhì)的影響,研究了~100K低溫激光器的熱效應(yīng);然后研究了“電透鏡”效應(yīng),并就Yb:YAG介質(zhì)低溫下的“電透鏡”效應(yīng)進行了理論分析,討論了ASE效應(yīng)、溫度等因素的影響;針對低溫激光器面臨的泵浦傳輸難度增加的問題,提出了“楔形窗口”“實心棱鏡”等解決方案;最后實驗研究了12 kW端面泵浦的V型腔液氮冷卻Yb:YAG激光器,對液氮制冷技術(shù)、系統(tǒng)效率以及最佳工作溫度問題進行了討論。 3.利用相變潛熱的固體激光介質(zhì)散熱技術(shù) (1)環(huán)路熱管冷卻的Yb:YAG放大器實驗研究根據(jù)熱阻理論以及多種新型熱管技術(shù)的不同原理,設(shè)計了環(huán)路熱管端面冷卻Yb:YAG激光放大器和平板熱管冷卻的低溫激光器,應(yīng)用有限元軟件ICEPAK建立了系統(tǒng)級熱效應(yīng)分析模型,實驗上測量了6 kW泵浦的環(huán)路熱管端面冷卻Yb:YAG激光放大器性能,與水流冷卻的對比表明,~1 Hz低重頻下熱管冷卻完全可以代替水流冷卻。 (2)基于新型熱管的非均勻散熱理論與技術(shù)研究基于重頻大能量激光器介質(zhì)溫度分布呈現(xiàn)的時、空不均勻性,提出了非均勻生熱和非均勻散熱兩種熱管理思路,即對原本溫度高的地方減少生熱、增強散熱。與傳統(tǒng)冷卻方式對比的模擬結(jié)果表明:時空非均勻散熱可以不同程度的降低溫度梯度。例如:空間非均勻散熱可將最高溫度由362.3 K下降為347.6 K,最低溫度從288.1 K升為292.6 K,從兩方面共同減小了介質(zhì)溫度梯度;時間非均勻散熱可將最高溫度從362.3 K下降為336.1 K,最低溫度不變。分別研究了利用嵌入式微熱管陣列實現(xiàn)空間非均勻散熱、利用脈動熱管的振蕩特性實現(xiàn)時間非均勻散熱的技術(shù),分析了基于熱管技術(shù)實現(xiàn)非均勻散熱的可行性。 4.基于徑向偏振光的光彈效應(yīng)規(guī)避技術(shù)論述了徑向偏振光在熱管理中的優(yōu)勢。從規(guī)避光彈效應(yīng)的角度出發(fā),對徑向偏振光的熱致雙焦點效應(yīng)和熱退偏效應(yīng)進行了理論分析。重點分析了利用各向同性介質(zhì)的熱致雙焦點產(chǎn)生徑向偏振光的技術(shù),該技術(shù)在利用熱效應(yīng)的同時,可規(guī)避部分熱效應(yīng)。研究了徑向偏振光應(yīng)用于固體激光熱管理中的兩個關(guān)鍵單元技術(shù),即高度對稱的泵浦場設(shè)計和補償元件的設(shè)計,建立了環(huán)形激光二極管泵浦棒狀放大器的設(shè)計理論,綜合考慮了介質(zhì)增益、系統(tǒng)效率、泵浦均勻性等因素。 本論文對于光熱效應(yīng)分析模型的改進和對系統(tǒng)級熱管理新技術(shù)的研究,可對新一代高功率固體激光器的設(shè)計和運行提供參考。