高功率熱效應補償固體激光器的研究與設計.pdf

1、固體激光器的平均功率和光束質量受限,其中關鍵問題之一就是固體激光器運轉過程中的發(fā)熱問題。固體激光器高平均功率運轉時,介質內的溫度嚴重不均勻,這一不均勻的溫度分布所導致的熱應力是限制固體激光器輸出功率提高的重要原因。而且,由于不均勻溫度分布和熱應力的共同作用,在激光介質中產生的熱透鏡效應和熱致雙折射效應,嚴重影響了激光的光束質量和激光器的效率。從某種意義上講,高平均功率固體激光器的研制過程就是如何消除熱效應的負面影響、克服熱透鏡、熱應力、

2、熱畸變等不利因素的過程。因此,高功率固體激光器熱效應問題的研究以及高功率熱效應補償固體激光器的設計,是一個十分重要而有意義的研究課題。
　　 本文依托江蘇大學強激光技術研究所的于兆瓦重復率釹玻璃激光系統(tǒng),就激光介質的熱透鏡效應,應力雙折射以及光斑質量補償的方法進行了實驗研究和分析。在此基礎上,設計了一種新型高功率熱效應補償板條固體激光器系統(tǒng),并對設計的板條激光器系統(tǒng)進行了初步的數值模擬與簡要分析。論文研究的主要內容如下:

3、　　 討論了激光棒溫度梯度和應力的存在所導致的熱透鏡效應和熱致雙折射效應,得到了熱透鏡焦距的計算公式和熱致雙折射效應導致的激光畸變和激光功率的損耗。針對江蘇大學強激光技術研究所的千兆瓦重復率釹玻璃激光系統(tǒng),利用美國Spiricon公司的激光光束分析儀系統(tǒng)LBA-708PC系統(tǒng),實驗研究了重復牢高功率釹玻璃激光器抽運時產生的熱透鏡效應,熱致應力雙折射退偏效應對輸出激光光束質量產生的影響,以及為了消除或減小這些影響采取的補償手段；測量出熱

4、透鏡的焦距和會聚度,獲得了退偏后的偏振圖。同時,進一步的討論表明,隨著脈沖次數的增加,激光器的熱效應逐漸顯現,激光器的輸出能量明顯減小,而當熱效應穩(wěn)定下來,激光器的輸出能量也趨于穩(wěn)定。
　　 針對固體激光器目前存在的缺點,設計了一種新型高功率板條激光器系統(tǒng),該激光器系統(tǒng)采取“三反射、激光介質對稱放置、對稱抽運和對稱雙溫冷卻”的設計思路:在緊抱型陶瓷漫反射腔體中,以各自腔體的中軸線對稱放置兩塊互相平行的尺寸、材料和性能相同的釹玻璃

5、激光介質板條,抽運源也分別以各自腔體的中軸線對稱放置,冷卻采用雙溫循環(huán)全腔水冷方式,激光束經過三次反射進入另一個釹玻璃板條,以獲得高重復頻率、高功率、長氙燈壽命、低放大的自發(fā)輻射(ASE)、微弱波面畸變的高質量光束。
　　 利用LASCAD激光器設計與分析軟件對設計的板條激光器系統(tǒng)進行了初步的數值模擬,建立了板條激光器系統(tǒng)有限元模型,獲得了晶體熱負載與溫度分布、晶體熱形變與應力分布、激光輸出功率以及激光光強與相位分布。模擬結果表