薄膜电极重频电光开关的热管理研究

发布时间：2017-08-11 09:40

  本文关键词：薄膜电极重频电光开关的热管理研究

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【摘要】：高平均功率激光器能够加强光与物质之间的相互作用,在高能高密度物理、粒子加速和聚变能源等领域有着广阔的应用前景。世界各国对于聚变能源的重视让高功率重频激光技术得到迅速发展,如美国的Mercury装置,德国Polaris装置,法国Lucia装置和中国神光装置。这些激光驱动装置都有着大口径、高功率、重频运转、多程放大的特点。普克尔盒电光开关是重频激光装置中的关键单元,其作为级间隔离器件抑制了自激振荡,同时控制多程放大的程数,提高能量的提取效率。与等离子体电极电光开关相比,透明导电膜电极电光开关同样可以定标到大口径,而大幅度降低了均匀电极的获得难度,可用于激光系统中较低峰值功率位置实现光束多程控制或级间隔离功能。重频运转下,开关晶体会对光脉冲产生线性吸收而导致热沉积,晶体内的热沉积使晶体产生温升。DKDP晶体具有双折射特性,其对温度极其敏感。高功率重频运转意味着普克尔盒需要高效的热管理,因此薄膜电极重频电光开关的热管理研究具有重要的科学意义。本文针对薄膜电极普克尔盒,分别提出传导冷却和流体冷却的热管理方案,在低光通量的运转条件下,在普克尔盒的结构设计中可以使用透明导电薄膜作为开关电极,同时采用薄晶体定标到大口径。本文对薄膜电极普克尔盒,分别提出传导冷却和流体冷却的热管理方案,并对开关晶体中的热效应进行模拟分析。本文主要研究的内容有两个方面：一、流体冷却式热管理方案的研究,通过建立了流固耦合有限元模型来分析流体冷却式重频普克尔盒的换热特点。对流体流动的状态进行模拟分析,然后讨论影响换热系数的相关因素,以及晶体内热沉积的影响因素,得到普克尔盒的相关结构参数。并在优化的热管理前提下,模拟开关重频应用时(0.4J/cm2@16Hz)开关晶体内产生的热效应。模拟得到：开关晶体中的最大温升为1.67 K,最大应力为1.87 MPa,出现在光斑边界处,应力双折射致退偏损耗的最大值出现在光斑边界处,为0.38%,总波前畸变为0.239λ。二、传导冷却式热管理方案的研究。提出薄膜电极的普克尔盒结构,其采用宝石传导换热的热管理方式。首先通过理论分析得到相关的结构设计参数,然后实验分析传导换热的特点,并验证理论分析。在110W平均功率辐照下测量开关晶体和宝石的温升、开关全口径上的退偏和波前畸变的分布。同时将实验测量结果与数值模拟结果相比较,验证所写程序的有效性。最后,提出热效应管理优化的方法：边界主动加热补偿法。边界主动加热补偿是通过改善横截面上温度梯度分布的均匀度来降低退偏损耗和波前畸变,能够有效地提高重频普克尔盒的热管理效率。
【关键词】：普克尔盒 透明导电薄膜 重复频率 热管理 流体冷却 传导换热 热补偿
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN24
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-22
• 1.1 背景8-11
• 1.2 重频普克尔盒电光开关的研究现状11-16
• 1.2.1 重频等离子体普克尔盒电光开关12-14
• 1.2.2 传导换热式重频普克尔盒14
• 1.2.3 横向热补偿重频普克尔盒14-15
• 1.2.4 反射式等离子体电极重频普克尔盒15-16
• 1.3 基于IFE激光驱动器的普克尔盒设计16-20
• 1.3.1 薄膜电极的材料现状17-18
• 1.3.2 透明导电薄膜电极普克尔盒的设计18-20
• 1.4 论文的主要内容和研究方法20-22
• 1.4.1 研究意义20-21
• 1.4.2 主要内容21
• 1.4.3 数值模拟方法21-22
• 第二章 普克尔盒电光开关热问题的理论分析22-30
• 2.1 引言22
• 2.2 热效应22-24
• 2.2.1 温度传输与分布22-23
• 2.2.2 应力分布23-24
• 2.3 退偏损耗24-25
• 2.3.1 温致电光系数引起的退偏损耗24-25
• 2.3.2 应力双折射引起的退偏损耗25
• 2.4 波前畸变25-28
• 2.5 流体流动及传热方程28-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第三章 薄膜电极普克尔盒流体冷却换热管理分析30-51
• 3.1 引言30
• 3.2 建立流固耦合模型30-32
• 3.3 普克尔盒中冷却流体的分析32-34
• 3.4 换热系数的影响因素34-38
• 3.4.1 缝隙宽度与换热系数的关系34-35
• 3.4.2 流体流速与换热系数的关系35-36
• 3.4.3 流体入口大小与换热系数的关系36-38
• 3.5 影响晶体中热沉积的因素38-42
• 3.5.1 热传输和应力传输有限元模型38-39
• 3.5.2 开关晶体厚度对温度、应变及光束波前的影响39-40
• 3.5.3 光斑与开关晶体的边界距离对温度场和应变场的影响40-42
• 3.6 冷却换热管理下的热效应分析42-49
• 3.6.1 温度和应力分析42-46
• 3.6.2 退偏损耗分析46-48
• 3.6.3 波前畸变分析48-49
• 3.7 本章小结49-51
• 第四章 薄膜电极普克尔盒传导换热管理分析51-63
• 4.1 引言51
• 4.2 理论设计51-54
• 4.3 实验分析54-60
• 4.3.1 传导换热分析55-57
• 4.3.2 热效应分析57-60
• 4.4 热管理的加强60-61
• 4.5 本章小结61-63
• 第五章 总结63-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-69
• 附录69
• 攻读硕士期间的论文情况69
• 攻读硕士期间参加会议情况69

【参考文献】

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本文编号：655433