基于梯度掺杂介质的重复频率薄片激光放大器热效应特性研究

论文摘要

激光驱动的惯性核聚变能源是比较可行的新型能源解决方案之一。由于激光惯性约束聚变能源应用对高能量、重复频率运行的固体激光装置的需求,世界各国的科学家正在积极开展高能量、重复频率工作二极管泵浦固体激光装置的研究工作,其中,由于高能量、重复频率运行带来的严重的热负载问题是科研人员面临的不同于以往的挑战之一。本论文通过理论建模与模拟计算的方法,探讨了一种通过增益介质激活离子的梯度掺杂提高介质中热沉积与冷却空间耦合,提高介质散热水平、提高固体激光放大器热管理效率的方法,解决了正泵薄片构型激光放大器热沉积与冷却异面造成的较大的温度与温度梯度,使其热管理效果达到了与背泵薄片构型放大器相同甚至高于背泵薄片构型放大器的水平,而保留了正泵构型镀膜简单、泵浦光不受冷却流体扰动的优点。开展的主要研究工作如下：1.针对介质内各种热效应特性,建立了考虑增益介质的物理性质随掺杂浓度与温度变化的、三维含时的多物理场耦合模型。对正泵Yb:YAG薄片构型放大器的温度、应力-应变、波前畸变、应力致退偏损耗与增益的特性进行了模拟计算；对不同介质、泵浦、冷却参数下介质的热特性与热效应特性进行了讨论。2.开展了梯度掺杂介质热效应特性的稳态与瞬态分析,研究结果表明：通过提高介质内的掺杂浓度梯度、降低介质厚度,介质的温度、力学、光学特性将得到明显的改善。但是,随着掺杂浓度梯度的升高与介质片厚的降低,介质的增益水平将由于ASE效应降低。因此,在梯度掺杂介质的参数优化设计中,需要综合考虑热效应的损耗与增益的关系,确保放大器工作在最佳状态。3.基于对梯度掺杂介质特性的研究,针对输出指标为10J、10Hz、10ns的Yb:YAG激光放大器增益介质进行了优化设计,结果表明：增益介质内的平均温度降低了10.97K,温度梯度由13.69K/mm下降到4.01K/mm。波前畸变最大值下降了6.4%,应力致退偏损耗的最大值下降了25.74%。在热学、光学、力学特性改善的同时,放大器的单程增益较优化前上升了11.11%。4.由于在现有情况下,制备掺杂浓度连续变化的介质存在一定困难。对实现难度较低的多片键合制备梯度掺杂介质方法的可行性进行了研究。结果表明多片键合介质可以起到提升放大器热管理效能的作用。5.开展了基于梯度掺杂介质方法提升固体激光放大器热管理效能的可定标放大性研究。提出了薄片增益介质键合白片方案,在保证梯度掺杂介质热管理性能的同时,增强了大口径介质的机械强度。计算结果表明,在放大器口径扩大的情况下,梯度掺杂介质内的平均温度与温度分布均基本保持不变,可满足数千焦耳级别激光放大器增益介质的热管理性能提升需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与目的
• 1.2 高功率固体激光装置中的热问题
• 1.3 本论文研究内容
• 第2章 梯度掺杂介质热学特性模拟研究
• 2.1 理论分析与模型建立
• 2.2 稳态近似下介质各种参数对梯度掺杂介质热学特性的影响
• 2.3 梯度掺杂介质热学特性的时域分析
• 2.4 小结
• 第3章 基于梯度掺杂的固体激光放大器力学、光学及增益特性研究
• 3.1 理论分析与模型建立
• 3.2 介质的力学特性研究
• 3.3 介质的光学特性研究
• 3.4 梯度掺杂介质力学与光学随时间的演化
• 3.5 梯度掺杂介质的增益特性
• 3.6 小结
• 第4章 基于梯度掺杂的放大器优化设计与可定标放大研究
• 4.1 介质优化的方法与原则
• 4.2 介质参数优化实例
• 4.3 基于多片键合技术的梯度掺杂放大介质可行性研究
• 4.4 可定标放大性研究
• 4.5 小结
• 第5章 结语
• 第6章 致谢
• 参考文献
• 附录