强激光作用下导光镜液冷技术研究

发布时间：2020-06-07 09:56

【摘要】：随着激光技术的发展,高功率激光发射系统的应用更加广泛。而在高功率激光发射系统中,激光器发出的光束只有通过导光光路才能沿预定方向到达目标。由于激光光束携带能量较大,会导致导光镜产生热变形,从而影响最终的光束质量。因此,对导光镜进行冷却对减小热变形和提高激光光束质量意义重大。本文以高功率激光发射系统为研究背景和应用场合,对导光光路系统中的导光镜冷却问题展开研究,主要包括冷却方案的比较与选择、液冷效果指标的提出、液冷技术的相关理论分析、冷却通道的结构设计及优化、冷却介质的选择、激光源对冷却效果的影响规律研究。具体叙述如下:针对目前存在的主要冷却方式进行了充分的调研分析,比较各种冷却方式的优缺点,选择采用冷却通道液冷方案对高功率激光辐照下的导光镜进行主动冷却,抑制导光镜热变形,提高光束输出质量。根据课题要求和工程需要,提出了新的液冷效果评价指标,主要包括镜面温度场和通道内部流场两个方面。详细研究了热传导理论和对流换热过程中涉及到的湍流理论,并深入分析湍流状态下影响辐照区温度场和通道内部流场的各种因素。研究数值模拟理论,分析数值模拟中涉及到的算法和边界条件。利用数值模拟方法详细分析冷却通道结构参数、通道布局、基体材料等因素对镜面温度场和通道内部流体流动特性的影响规律,并根据结果进一步优化冷却通道的结构参量。可以知道,对于单通道结构,镜面辐照区温度场并不随其几何中心呈对称分布,最高温度点位于通道下游;增大流道截面尺寸可以提高换热效果;通道不同壁面的温度分布并不相同;而通道与镜面间的距离对导光镜的温度场影响不大;双通道结构的液冷效果更好;基体材料的性质对温度场也有一定影响。而压力损失和压力损失系数随通道宽度和通道高度的增大而逐渐减小,随通道间距的增加先下降后略微上升;弯道宽度会引起压力损失系数的变化。分析冷却液与激光源对液冷效果的影响规律。结果表明:冷却液浓度越大,其换热效果越差,压力损失系数越大;冷却液速度越大,其换热效果越好,压力损失越大,压力损失系数越小;冷却液温度对换热效果亦有一定影响。激光功率越大,导光镜的温升越大;镜面温升对时间敏感性不同,激光辐照发生的初期温升增加较快,后期趋于平缓。
【图文】：

原理图,光路,原理图,经轴

中国科学院大学学位论文：强激光作用下导光镜液冷技术研究面临新的困难。本文所研究的新一代激光发射系统路系统[6]。的组成部件主要包括 3 块导光镜和一块中心反射镜的激光光束所成的角度为 45°。在装调时，需要保在经轴所在的直线上；2，第二块与第三块导光镜以相对静止，同时保证可以同经轴一起做旋转运动。轴轴线和纬轴轴线的中心交汇处，，其与经、纬、视均为 45°，同时保证能实现其与经纬两轴的跟随转

几何模型,结构尺寸,整体结构,通道

图 3.1 导光镜几何模型(a) 导光镜整体结构图；(b)导光镜整体尺寸图；(c)通道截面示意图Fig 3.1 Light guide mirror geometry model；(a) Schematic structure of the whole Light guide mirror geometry model; (b) Overall dimension ofthe light guide mirror; (c) The cross section shapes of the channels表 3.1 导光镜结构尺寸 (mm)Table 3.1 Geometrical parameters of the Light guide mirrorParameter a b L1L2L3L4HValue/mm 95 75 200 80 160 100 20
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24

【参考文献】