激光介質(zhì)熱效應(yīng)的理論分析.pdf

1、高平均功率、高質(zhì)量光束的固體激光器是當(dāng)前人們研究的熱點(diǎn)之一，而激光介質(zhì)的熱效應(yīng)是制約固體激光器邁向高功率、高質(zhì)量的一個(gè)重要因素。因此研究激光介質(zhì)的熱效應(yīng)具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。本文對(duì)棒狀、板條狀激光介質(zhì)的熱效應(yīng)進(jìn)行了詳盡地、系統(tǒng)地理論分析和對(duì)比。主要內(nèi)容有： 1．對(duì)側(cè)面均勻抽運(yùn)下棒狀激光介質(zhì)中的熱效應(yīng)進(jìn)行了詳盡分析，通過對(duì)激光介質(zhì)中溫度分布、熱應(yīng)力分布、熱應(yīng)力雙折射和退偏效應(yīng)、熱透鏡效應(yīng)等的分析認(rèn)識(shí)到溫度分布不均勻是產(chǎn)生激

2、光介質(zhì)熱效應(yīng)的根源。選擇與激光介質(zhì)吸收相匹配的抽運(yùn)源，采用合理優(yōu)化的冷卻方式，進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償對(duì)降低固體激光器熱效應(yīng)具有重要的作用。定量分析了極限抽運(yùn)功率與激光棒的長(zhǎng)度、半徑的關(guān)系。 2．對(duì)端面抽運(yùn)下的棒狀激光介質(zhì)，建立了內(nèi)熱源模型、理論分析了激光介質(zhì)中溫度分布，推導(dǎo)并討論了熱應(yīng)力分布，接著給出了光程差計(jì)算公式，分析了熱透鏡效應(yīng)。知道了溫度梯度、熱應(yīng)力、端面效應(yīng)是產(chǎn)生熱透鏡的因素，與側(cè)面抽運(yùn)下溫度分布和熱應(yīng)力是導(dǎo)致熱透鏡主要因素不同

3、的是，在端面抽運(yùn)下溫度分布和端面效應(yīng)對(duì)熱透鏡貢獻(xiàn)較大，而熱應(yīng)力貢獻(xiàn)最小。 3．詳盡分析并討論了大面均勻抽運(yùn)下板條狀激光介質(zhì)中的溫度分布和熱應(yīng)力分布，并得出了極限抽運(yùn)功率與板條幾何尺寸的關(guān)系。與均勻抽運(yùn)下棒狀介質(zhì)的分析結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn)，板條介質(zhì)中的溫度最大值、應(yīng)力最大值均低于棒，承載功率的能力要優(yōu)于棒。接著根據(jù)光率體描述折射率特性分析了板條中的熱透鏡效應(yīng)，以各向同性介質(zhì)為例，對(duì)比了棒狀介質(zhì)和板條狀介質(zhì)的等效熱焦距。這些結(jié)果表明板條狀

4、激光介質(zhì)中的熱效應(yīng)要明顯低于棒狀激光介質(zhì)。 4．針對(duì)雙向側(cè)面抽運(yùn)下板條激光介質(zhì)，建立了內(nèi)熱源和熱傳導(dǎo)模型，理論分析了板條中的溫度分布，推導(dǎo)并討論了熱應(yīng)力分布。與大面抽運(yùn)下板條介質(zhì)的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抽運(yùn)效率為1時(shí)，大面抽運(yùn)和側(cè)面抽運(yùn)下板條中的溫度分布和熱應(yīng)力分布有著很多的相似之處。最后，采用有限元模擬軟件COMSOL模擬分析了激光介質(zhì)Nd:YAG中溫度分布以及每一個(gè)熱應(yīng)力分量的分布，并給出了溫度最大值、每一個(gè)應(yīng)力分量最大值