液冷薄片激光器及其热管理技术研究

发布时间：2017-11-03 01:00

  本文关键词：液冷薄片激光器及其热管理技术研究

  更多相关文章： 激光器 薄片激光器 液体冷却 热效应 热管理 波前畸变

【摘要】：高平均功率、高光束质量的固体激光器是当前激光技术领域的研究热点之一。然而由于泵浦光源和冷却介质的共同作用,直接导致固体激光介质内部产生温度梯度分布,进而产生热透镜、应力双折射等热效应问题,严重制约了高平均功率、高光束质量固体激光器的发展。为了解决固体激光器的热效应问题,本文设计了一种液冷薄片激光器并重点对其热管理技术进行了研究,为减小输出光斑的偏移和提高激光输出的均匀性,两薄片激光介质呈对称的“八”字形布儒斯特角放置在被冷却液充满的谐振腔中,利用液体的流动性加快固体激光介质中无用热地导出,避免废热累积,从而实现高效的热管理。本文首先论述了高功率固体激光器的研究背景及意义,介绍了国内外的发展现状以及最新的研究报道;详细介绍了固体激光器、液体激光器在热管理中的优势和不足,并对新型液体激光器进行了重点介绍;简单介绍了固体激光介质Nd:YAG的四能级结构;详细阐述了计算流体动力学的求解步骤,并介绍了控制方程和三种数值模拟计算方法,进行了三维物理建模和网格划分,获得了高质量的网格输出;根据流体动力学原理建立了液冷薄片激光器增益区的热-流-固耦合模型,并对其进行了仿真分析,研究了增益区温度场及速度场的分布情况,根据增益区的温度场分布,计算了液冷条件下增益区的光程差分布。增益区总光程差的峰谷值为1.09λ,分布较为均匀,热致波前畸变对光束质量影响较小。实验过程中,测定了冷却液的色散曲线及温度折射率系数;设计了布儒斯特角放置的液冷薄片激光器构型,采用LDA侧面泵浦并获得了1064nm波长的激光输出;对该构型激光器的耦合效率、斜率效率以及输出激光的光谱特性进行了测试。当泵浦能量为2.93J时,获得了615mJ的激光输出,斜率效率23%,光光转换效率21%。在10Hz重复泵浦频率下,不稳定度为1.27%,说明该构型激光器有良好的热管理性能。本文对液冷薄片激光器的激光输出能力和热管理能力进行了研究,为发展高功率、高光束质量固体激光器提供了思路。
【关键词】：激光器 薄片激光器 液体冷却 热效应 热管理 波前畸变
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-23
• 1.1 研究背景及意义9
• 1.2 半导体激光器泵浦的优势9-10
• 1.3 固体激光器热效应产生原因10-11
• 1.4 高平均功率激光器的发展现状11-19
• 1.4.1 棒状激光器12-13
• 1.4.2 板条激光器13-15
• 1.4.3 碟片激光器15-16
• 1.4.4 热容激光器16-17
• 1.4.5 液体激光器17-18
• 1.4.6 新型液体激光器18-19
• 1.5 主要研究内容19-23
• 第二章 固体激光器及计算流体动力学理论基础23-39
• 2.1 固体激光器热效应类型23-24
• 2.2 固体激光器泵浦方式24-25
• 2.3 Nd:YAG能级结构25-26
• 2.4 微分控制方程26-30
• 2.4.1 质量守恒方程27
• 2.4.2 能量守恒方程27-28
• 2.4.3 动量守恒方程28-30
• 2.5 数值计算方法30-35
• 2.5.1 有限差分法30-32
• 2.5.2 有限元法32-33
• 2.5.3 有限体积法33-35
• 2.6 湍流模型35-37
• 2.7 小结37-39
• 第三章 网格划分与求解计算39-57
• 3.1 计算流体动力学求解过程39-40
• 3.2 增益区物理建模40-41
• 3.3 模型网格划分41-48
• 3.3.1 网格类型41-42
• 3.3.2 Y-Block和O-Block42-44
• 3.3.3 生成网格44-48
• 3.4 模拟仿真计算48-55
• 3.4.1 用户自定义函数49
• 3.4.2 数据类型49-50
• 3.4.3 求解器设置50-52
• 3.4.4 求解步骤52-55
• 3.5 小结55-57
• 第四章 液冷薄片激光器热效应研究57-75
• 4.1 液冷薄片激光器结构57-58
• 4.2 冷却液温度折射率系数测定58-60
• 4.3 固液热传导模型60-62
• 4.4 增益区流场分析62-65
• 4.5 光程差计算65-69
• 4.6 激光实验69-73
• 4.7 小结73-75
• 总结75-77
• 参考文献77-82
• 攻读学位期间取得的研究成果82-83
• 致谢83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：1133911