高功率固體激光器熱管理新技術研究

?熱效應嚴重限制了高功率、高光束質量固體激光器的進一步發展。發展適用于重頻、大能量激光器的新型熱管理技術顯得十分必要。 本論文首先改進了已有的光熱耦合的熱效應分析理論,然后在此基礎上,采用低溫技術、相變冷卻技術和徑向偏振光技術,對Nd:glass、Yb:YAG固體激光器熱管理進行了研究。主要內容包括以下四個方面: 1.光熱耦合的熱效應分析理論 (1)對傳統熱效應分析模型的改進和補充采用光線追跡方法,以二極管的微激射元為基本單位,設計高功率激光二極管陣列的端面泵浦耦合系統,并將光線追跡的結果作為介質熱分析的生熱源。建立了三維、瞬態的有限元模型求解介質的溫度場、熱應力分布,并提出了一種基于實測泵浦光斑求解熱致波前畸變的方法,討論了泵浦不均勻性的影響。實驗上測量泵浦光斑,驗證了泵浦耦合系統設計模型;使用熱像儀測量釹玻璃介質的溫度分布,校驗了有限元方法的熱傳輸計算模型。相比于傳統模型,微激射元作為基本單位、實測泵浦光斑作為載荷等方法使模型更接近實際情況。 (2)基于統計學的熱致斷裂概率分析模型及介質泵浦極限研究研究了熱致斷裂應力的評判標準和臨界值概念,建立了一種統計學的熱致斷裂概率分析模型,分析了介質尺寸、應力、斷裂概率三者的對應關系。分別研究了釹玻璃、Yb:YAG兩種介質的斷裂極限功率和吸收極限功率,指出不同重復頻率下的泵浦極限機制不同。對17 kW,1 Hz泵浦的釹玻璃介質進行了斷裂實驗。 (3)評估介質表面對流換熱系數的方法提出了一種基于快響應熱電偶測量不銹鋼“替代片”溫度變化,結合有限元計算模型反推表面對流換熱系數的方法。通過尋求實測溫度值和不同模擬參數下溫度值的最小方差,得出某Yb:YAG放大器冷卻構型表面對流換熱系數值為3500 W/(m2 K)。該方法解決了對流換熱系數計算模型不統一、實驗中難以測量的問題。2.液氮制冷的低溫Yb:YAG激光器 低溫下激光介質的熱特性大幅改善,受激發射截面大幅提高。本文首先從材料特性的角度分析了溫度對Yb:YAG介質的影響,研究了~100K低溫激光器的熱效應;然后研究了“電透鏡”效應,并就Yb:YAG介質低溫下的“電透鏡”效應進行了理論分析,討論了ASE效應、溫度等因素的影響;針對低溫激光器面臨的泵浦傳輸難度增加的問題,提出了“楔形窗口”“實心棱鏡”等解決方案;最后實驗研究了12 kW端面泵浦的V型腔液氮冷卻Yb:YAG激光器,對液氮制冷技術、系統效率以及最佳工作溫度問題進行了討論。 3.利用相變潛熱的固體激光介質散熱技術 (1)環路熱管冷卻的Yb:YAG放大器實驗研究根據熱阻理論以及多種新型熱管技術的不同原理,設計了環路熱管端面冷卻Yb:YAG激光放大器和平板熱管冷卻的低溫激光器,應用有限元軟件ICEPAK建立了系統級熱效應分析模型,實驗上測量了6 kW泵浦的環路熱管端面冷卻Yb:YAG激光放大器性能,與水流冷卻的對比表明,~1 Hz低重頻下熱管冷卻完全可以代替水流冷卻。 (2)基于新型熱管的非均勻散熱理論與技術研究基于重頻大能量激光器介質溫度分布呈現的時、空不均勻性,提出了非均勻生熱和非均勻散熱兩種熱管理思路,即對原本溫度高的地方減少生熱、增強散熱。與傳統冷卻方式對比的模擬結果表明:時空非均勻散熱可以不同程度的降低溫度梯度。例如:空間非均勻散熱可將最高溫度由362.3 K下降為347.6 K,最低溫度從288.1 K升為292.6 K,從兩方面共同減小了介質溫度梯度;時間非均勻散熱可將最高溫度從362.3 K下降為336.1 K,最低溫度不變。分別研究了利用嵌入式微熱管陣列實現空間非均勻散熱、利用脈動熱管的振蕩特性實現時間非均勻散熱的技術,分析了基于熱管技術實現非均勻散熱的可行性。 4.基于徑向偏振光的光彈效應規避技術論述了徑向偏振光在熱管理中的優勢。從規避光彈效應的角度出發,對徑向偏振光的熱致雙焦點效應和熱退偏效應進行了理論分析。重點分析了利用各向同性介質的熱致雙焦點產生徑向偏振光的技術,該技術在利用熱效應的同時,可規避部分熱效應。研究了徑向偏振光應用于固體激光熱管理中的兩個關鍵單元技術,即高度對稱的泵浦場設計和補償元件的設計,建立了環形激光二極管泵浦棒狀放大器的設計理論,綜合考慮了介質增益、系統效率、泵浦均勻性等因素。 本論文對于光熱效應分析模型的改進和對系統級熱管理新技術的研究,可對新一代高功率固體激光器的設計和運行提供參考。