高功率LDA泵浦固體激光放大器研究.pdf

1、二極管泵浦的固體激光器DPSSL(Diode Pumped Solid-State Laser)代表了未來固體激光器發(fā)展的主流方向，不僅是繼CO2激光器、化學(xué)激光器等之后的一種潛在的武器用激光器，也是在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)唯一能夠滿足慣性約束聚變能(IFE)10Hz左右的重復(fù)頻率、每個脈沖MJ級能量/數(shù)十納秒、10％轉(zhuǎn)換效率、高可靠性和低代價(jià)技術(shù)指標(biāo)等特點(diǎn)的技術(shù)途徑。高功率激光二極管列陣(LDA)、泵浦耦合技術(shù)和熱管理技術(shù)是DPSSL的三大關(guān)

2、鍵技術(shù)單元。其中高功率二極管陣列是DPSSL的核心部件;泵浦耦合方式的設(shè)計(jì)是否合理高效，是影響系統(tǒng)增益能力強(qiáng)弱、增益均勻性好壞等關(guān)鍵性能的主要因素之一;熱效應(yīng)是制約DPSSL走向高效率、高光束質(zhì)量和高重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。
　　本文從二極管列陣泵浦固體激光的能量傳輸機(jī)制出發(fā)，對二極管陣列光學(xué)參數(shù)、二極管面陣(stack)排列方式、耦合傳輸、增益介質(zhì)的能量沉積、多程放大、熱管理等DPSSL全過程進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究與三維實(shí)體建模仿

3、真模擬，對DPSSL的LDA、泵浦耦合與熱管理三大關(guān)鍵技術(shù)單元進(jìn)行了綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過建立一套24kW高功率二極管列陣泵浦釹玻璃激光放大器開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和程序的校驗(yàn)，取得了系列重要成果。這些結(jié)果包括:
　　1)建立了利用了蒙特卡羅方法來描述光線的二極管列陣巴條(bar)發(fā)光實(shí)體模型，具有快慢軸發(fā)散角、發(fā)射功率、發(fā)光面積等光學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上，將該二極管bar條模型沿快軸方向進(jìn)行堆疊即為二極管面陣模型，m×n個面陣進(jìn)行排列即為

4、泵浦用的二極管陣列模型;
　　2)基于三維光線追跡的泵浦耦合實(shí)體模型，并對大口徑高功率二極管列陣端面泵浦固體激光放大器的一種新型耦合方式——激光二極管stack面陣擬球面排布、面陣激光快慢軸交替旋轉(zhuǎn)90°排列（旋轉(zhuǎn)風(fēng)車式排列），空心鍍銀不銹鋼（或鋁）導(dǎo)管進(jìn)行耦合的耦合方式進(jìn)行了仿真模擬，研究了增益介質(zhì)內(nèi)的的能量沉積與耦合效率、耦合輸出場均勻性和傳輸性等，其中增益介質(zhì)內(nèi)的能量沉積可作為增益性能分析與熱管理的初始內(nèi)熱源分布，而后者可作

5、為優(yōu)化泵浦耦合的分析論據(jù);
　　3)系統(tǒng)研究了DPSSL的熱效應(yīng)問題，基于光線追跡的內(nèi)熱源分布和有限元方法建立了熱管理三維實(shí)體模型，并模擬計(jì)算了增益介質(zhì)在直接水冷與相變材料熱匯冷卻下三維溫度分布，以及增益介質(zhì)裝夾方式對介質(zhì)熱應(yīng)力分布與變形分布的影響，從熱管理出發(fā)對DPSSL進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);
　　4)建立了一套24kW高功率二極管列陣泵浦的釹玻璃激光放大系統(tǒng)，開展了DPSSL泵浦耦合、熱管理與增益性能的實(shí)驗(yàn)研究和仿真模擬程序的