基于梯度摻雜介質(zhì)的重復(fù)頻率薄片激光放大器熱效應(yīng)特性研究.pdf

1、激光驅(qū)動(dòng)的慣性核聚變能源是比較可行的新型能源解決方案之一。由于激光慣性約束聚變能源應(yīng)用對(duì)高能量、重復(fù)頻率運(yùn)行的固體激光裝置的需求，世界各國(guó)的科學(xué)家正在積極開展高能量、重復(fù)頻率工作二極管泵浦固體激光裝置的研究工作，其中，由于高能量、重復(fù)頻率運(yùn)行帶來(lái)的嚴(yán)重的熱負(fù)載問題是科研人員面臨的不同于以往的挑戰(zhàn)之一。
　　本論文通過(guò)理論建模與模擬計(jì)算的方法，探討了一種通過(guò)增益介質(zhì)激活離子的梯度摻雜提高介質(zhì)中熱沉積與冷卻空間耦合，提高介質(zhì)散熱水平、

2、提高固體激光放大器熱管理效率的方法，解決了正泵薄片構(gòu)型激光放大器熱沉積與冷卻異面造成的較大的溫度與溫度梯度，使其熱管理效果達(dá)到了與背泵薄片構(gòu)型放大器相同甚至高于背泵薄片構(gòu)型放大器的水平，而保留了正泵構(gòu)型鍍膜簡(jiǎn)單、泵浦光不受冷卻流體擾動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。開展的主要研究工作如下:
　　1.針對(duì)介質(zhì)內(nèi)各種熱效應(yīng)特性，建立了考慮增益介質(zhì)的物理性質(zhì)隨摻雜濃度與溫度變化的、三維含時(shí)的多物理場(chǎng)耦合模型。對(duì)正泵Yb∶YAG薄片構(gòu)型放大器的溫度、應(yīng)力-應(yīng)變、

3、波前畸變、應(yīng)力致退偏損耗與增益的特性進(jìn)行了模擬計(jì)算;對(duì)不同介質(zhì)、泵浦、冷卻參數(shù)下介質(zhì)的熱特性與熱效應(yīng)特性進(jìn)行了討論。
　　2.開展了梯度摻雜介質(zhì)熱效應(yīng)特性的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)分析，研究結(jié)果表明:通過(guò)提高介質(zhì)內(nèi)的摻雜濃度梯度、降低介質(zhì)厚度，介質(zhì)的溫度、力學(xué)、光學(xué)特性將得到明顯的改善。但是，隨著摻雜濃度梯度的升高與介質(zhì)片厚的降低，介質(zhì)的增益水平將由于ASE效應(yīng)降低。因此，在梯度摻雜介質(zhì)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮熱效應(yīng)的損耗與增益的關(guān)系，確

4、保放大器工作在最佳狀態(tài)。
　　3.基于對(duì)梯度摻雜介質(zhì)特性的研究，針對(duì)輸出指標(biāo)為10J、10Hz、10ns的Yb∶YAG激光放大器增益介質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明:增益介質(zhì)內(nèi)的平均溫度降低了10.97K，溫度梯度由13.69K/mm下降到4.01K/mm。波前畸變最大值下降了6.4％，應(yīng)力致退偏損耗的最大值下降了25.74％。在熱學(xué)、光學(xué)、力學(xué)特性改善的同時(shí)，放大器的單程增益較優(yōu)化前上升了11.11％。
　　4.由于在現(xiàn)有情況

5、下，制備摻雜濃度連續(xù)變化的介質(zhì)存在一定困難。對(duì)實(shí)現(xiàn)難度較低的多片鍵合制備梯度摻雜介質(zhì)方法的可行性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明多片鍵合介質(zhì)可以起到提升放大器熱管理效能的作用。
　　5.開展了基于梯度摻雜介質(zhì)方法提升固體激光放大器熱管理效能的可定標(biāo)放大性研究。提出了薄片增益介質(zhì)鍵合白片方案，在保證梯度摻雜介質(zhì)熱管理性能的同時(shí)，增強(qiáng)了大口徑介質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果表明，在放大器口徑擴(kuò)大的情況下，梯度摻雜介質(zhì)內(nèi)的平均溫度與溫度分布均基本保持不變，