重復(fù)頻率等離子體電光開關(guān)熱問題及其控制.pdf

1、高平均功率固體激光器在微機械加工、材料加工、激光雷達、信標激光、強激光定向能系統(tǒng)的主激光、未來慣性約束聚變能等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。為獲得高功率的重復(fù)頻率激光脈沖，在平均功率激光器中，通常采用重復(fù)頻率普克爾盒進行調(diào)Q和隔離。由于對激光的線性吸收，開關(guān)晶體中將產(chǎn)生熱沉積。雖然電光晶體對激光的吸收系數(shù)較小，但由于其雙折射光學特性，它對熱退偏非常敏感，導(dǎo)致電光開關(guān)成為高平均功率激光器的限制部件之一。等離子體電極普克爾盒光開關(guān)，可以縱向使用，

2、同時可采用薄晶體，定標到大口徑，從而減少了由于開關(guān)晶體光吸收引起的熱問題，因此，將成為中等口徑至大口徑（數(shù)十毫米至數(shù)百毫米）平均功率光開關(guān)的理想選擇。但熱問題的分析與控制仍是研制重頻應(yīng)用下等離子體電光開關(guān)的前提。
　　本文建立了研究重復(fù)頻率等離子體電光開關(guān)熱效應(yīng)的流固耦合傳熱有限體積模塊、熱傳輸有限元模塊、退偏損耗模塊、以及波前畸變模塊。利用所建立的模型，研究了等離子體電光開關(guān)在平均功率輻照下的熱問題，對存在的熱效應(yīng)進行了控制與管

3、理。
　　熱問題的研究包括以下三方面內(nèi)容:首先研究了開關(guān)晶體中溫度場應(yīng)變場的影響因素。結(jié)果表明:為減小電光晶體中溫升、溫度梯度、應(yīng)變，電光晶體的吸收系數(shù)應(yīng)盡可能小，通光方向上厚度盡可能薄，入射激光功率密度分布要均勻，并使光斑邊界盡量靠近晶體物理邊界。其次分析了溫度致折射率變化、溫度致電光系數(shù)變化、應(yīng)力雙折射導(dǎo)致的等離子體電光開關(guān)退偏損耗規(guī)律。研究結(jié)果顯示，光開關(guān)在靜態(tài)下引起退偏損耗的主要因素為應(yīng)力雙折射，而在動態(tài)下除應(yīng)力雙折射電光

4、系數(shù)隨溫度變化也將導(dǎo)致嚴重的退偏損耗。當入射激光波長為λ=1.064μm、功率為1000W時，靜態(tài)下最大退偏損耗為12.82％，平均退偏損耗為3.70％。當電光開關(guān)工作在動態(tài)時（施加半波電壓），電光系數(shù)隨溫度變化導(dǎo)致的最大退偏損耗為2.74％，全口徑內(nèi)平均退偏損耗為1.69％。最后分析了等離子體電光開關(guān)在重復(fù)頻率應(yīng)用下對入射激光波前的擾動和調(diào)制。分析結(jié)果顯示，導(dǎo)致入射激光波前畸變的主要因素是電光晶體的熱形變。當入射激光波長為λ=1.06

5、4μm、功率為1000W時，總的單程波前畸變PV值為0.9558個波長。
　　熱管理包括以下兩方面內(nèi)容:第一，通過增強放電腔中流體對電光晶體對流換熱強度來控制開關(guān)晶體中熱沉積和熱梯度，從而達到管理熱效應(yīng)的效果。當放電腔內(nèi)流體抽速為6L/min、工作氣壓為5×104Pa、進氣管徑為6mm、進氣管道為3個、抽氣管徑為8mm、抽氣管道為2個時，放電腔內(nèi)流體對電光晶體的平均對流換熱系數(shù)為8.02W/m2·K，較傳統(tǒng)情況下的1.01 W/m

6、2·K提高了8倍左右，有效地降低了電光晶體內(nèi)熱沉積，從而減小了熱效應(yīng)帶來的不利。第二，針對限制等離子體電光開關(guān)在重復(fù)頻率下應(yīng)用的主要熱問題-熱致應(yīng)力雙折射，提出了縱向應(yīng)用下重頻等離子體電光開關(guān)熱致應(yīng)力雙折射補償方案。應(yīng)力雙折射補償方案在理論上可以完全補償應(yīng)力雙折射導(dǎo)致的退偏損耗，但波前畸變?nèi)圆荒艿玫酵耆a償。
　　最后實驗上測量了光開關(guān)在靜態(tài)下熱退偏損耗以及電光晶體內(nèi)溫度分布，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行了比較，兩者符合的較好。從而說明文