高功率固体激光器热管理新技术研究

热效应严重限制了高功率、高光束质量固体激光器的进一步发展。发展适用于重频、大能量激光器的新型热管理技术显得十分必要。 本论文首先改进了已有的光热耦合的热效应分析理论,然后在此基础上,采用低温技术、相变冷却技术和径向偏振光技术,对Nd:glass、Yb:YAG固体激光器热管理进行了研究。主要内容包括以下四个方面: 1.光热耦合的热效应分析理论 (1)对传统热效应分析模型的改进和补充采用光线追迹方法,以二极管的微激射元为基本单位,设计高功率激光二极管阵列的端面泵浦耦合系统,并将光线追迹的结果作为介质热分析的生热源。建立了三维、瞬态的有限元模型求解介质的温度场、热应力分布,并提出了一种基于实测泵浦光斑求解热致波前畸变的方法,讨论了泵浦不均匀性的影响。实验上测量泵浦光斑,验证了泵浦耦合系统设计模型;使用热像仪测量钕玻璃介质的温度分布,校验了有限元方法的热传输计算模型。相比于传统模型,微激射元作为基本单位、实测泵浦光斑作为载荷等方法使模型更接近实际情况。 (2)基于统计学的热致断裂概率分析模型及介质泵浦极限研究研究了热致断裂应力的评判标准和临界值概念,建立了一种统计学的热致断裂概率分析模型,分析了介质尺寸、应力、断裂概率三者的对应关系。分别研究了钕玻璃、Yb:YAG两种介质的断裂极限功率和吸收极限功率,指出不同重复频率下的泵浦极限机制不同。对17 kW,1 Hz泵浦的钕玻璃介质进行了断裂实验。 (3)评估介质表面对流换热系数的方法提出了一种基于快响应热电偶测量不锈钢“替代片”温度变化,结合有限元计算模型反推表面对流换热系数的方法。通过寻求实测温度值和不同模拟参数下温度值的最小方差,得出某Yb:YAG放大器冷却构型表面对流换热系数值为3500 W/(m2 K)。该方法解决了对流换热系数计算模型不统一、实验中难以测量的问题。2.液氮制冷的低温Yb:YAG激光器 低温下激光介质的热特性大幅改善,受激发射截面大幅提高。本文首先从材料特性的角度分析了温度对Yb:YAG介质的影响,研究了~100K低温激光器的热效应;然后研究了“电透镜”效应,并就Yb:YAG介质低温下的“电透镜”效应进行了理论分析,讨论了ASE效应、温度等因素的影响;针对低温激光器面临的泵浦传输难度增加的问题,提出了“楔形窗口”“实心棱镜”等解决方案;最后实验研究了12 kW端面泵浦的V型腔液氮冷却Yb:YAG激光器,对液氮制冷技术、系统效率以及最佳工作温度问题进行了讨论。 3.利用相变潜热的固体激光介质散热技术 (1)环路热管冷却的Yb:YAG放大器实验研究根据热阻理论以及多种新型热管技术的不同原理,设计了环路热管端面冷却Yb:YAG激光放大器和平板热管冷却的低温激光器,应用有限元软件ICEPAK建立了系统级热效应分析模型,实验上测量了6 kW泵浦的环路热管端面冷却Yb:YAG激光放大器性能,与水流冷却的对比表明,~1 Hz低重频下热管冷却完全可以代替水流冷却。 (2)基于新型热管的非均匀散热理论与技术研究基于重频大能量激光器介质温度分布呈现的时、空不均匀性,提出了非均匀生热和非均匀散热两种热管理思路,即对原本温度高的地方减少生热、增强散热。与传统冷却方式对比的模拟结果表明:时空非均匀散热可以不同程度的降低温度梯度。例如:空间非均匀散热可将最高温度由362.3 K下降为347.6 K,最低温度从288.1 K升为292.6 K,从两方面共同减小了介质温度梯度;时间非均匀散热可将最高温度从362.3 K下降为336.1 K,最低温度不变。分别研究了利用嵌入式微热管阵列实现空间非均匀散热、利用脉动热管的振荡特性实现时间非均匀散热的技术,分析了基于热管技术实现非均匀散热的可行性。 4.基于径向偏振光的光弹效应规避技术论述了径向偏振光在热管理中的优势。从规避光弹效应的角度出发,对径向偏振光的热致双焦点效应和热退偏效应进行了理论分析。重点分析了利用各向同性介质的热致双焦点产生径向偏振光的技术,该技术在利用热效应的同时,可规避部分热效应。研究了径向偏振光应用于固体激光热管理中的两个关键单元技术,即高度对称的泵浦场设计和补偿元件的设计,建立了环形激光二极管泵浦棒状放大器的设计理论,综合考虑了介质增益、系统效率、泵浦均匀性等因素。 本论文对于光热效应分析模型的改进和对系统级热管理新技术的研究,可对新一代高功率固体激光器的设计和运行提供参考。