无机液体激光系统流场特性分析

论文摘要

高能激光系统的研究是国际上备受关注的前沿领域之一,在民用上和军事上都具有广泛的应用前景。激光二极管泵浦的掺Nd3+的无机液体激光系统具有明显的优点:既能有效的利用泵浦能量,实现高能输出;又能有效解决热畸变问题,实现高光束质量输出。因此它是探索新型高能激光系统的方向之一,具有重要的研究价值。采用激光二极管泵浦掺钕离子的无机液体激光系统可以利用流动循环达到更好的散热效果。液体介质的循环流动为消除激光系统的热效应提供了有效途径,对改善激光系统的光束质量具有重要意义,但在流动过程中管道内的增益介质不可避免的存在湍流效应,这对于激光传输和波前热畸变均有较大影响,需要针对这些问题进行研究。为了说明系统流场特性对激光系统性能的影响,采用理论模型分析和数值模拟相结合的方法,对湍流扰动与温度分布的影响,介质流速和湍流强度与附面层厚度的关系,介质光斑漂移、光束扩展及光斑闪烁等湍流传输特性展开了分析。具体内容包括:1.调研了无机液体激光技术的发展概况和相关研究成果,简要描述了该无机液体的光学特性;2.根据流场和激光基本理论建立了介质盒增益区内液体流动的计算基本理论和增益介质的温度分布模型,推导了定常流下的温度扰动方程和管道内湍流场的温度分布规律;3.根据液体介质的流场变化,分析了泵浦区介质流速和湍流强度与附面层厚度、温度扰动的关系及对激光热畸变的影响,用光束波前光程差分布及方差来衡量其输出特性;4.分析了光束通过泵浦区介质时存在的光斑漂移、光束扩展及光斑闪烁等湍流传输特性,对光束通过湍流激光介质光程差变化进行了分析推导,并提出了散射对光传输过程中的影响;5.提出了影响系统光束质量的因素及对系统光束质量给出了SR评估,说明了提取区域的选择方法;6.说明了掺钕无机液体激光循环系统实验管道材料的选取过程和循环系统实验装置的基本结构,提出了几项实验内容,另外对不同配置条件下的激光液体荧光寿命进行了测量。结合Fluent6.53软件模拟计算和分析,所得到的温度分布和流场变化特性与理论推导分析基本一致。附面层内热积累现象严重,对激光输出存在很大的负面影响;增大泵浦区介质流速能有效减小波前附面层厚度和热畸变;在其它条件一定时,采用光阑限孔的方法可以进一步减小热畸变;湍流相干尺度的增大有利于介质的光传输,当增益介质长度不大时光斑漂移、光束扩展及光斑闪烁等湍流传输效应对系统总体性能影响不大;合适的泵浦光功率密度、吸收系数、流速和初始平均温度等参量的选取是决定增益介质提取区域的关键。模拟计算结果表明,选取泵浦光功率密度为400 W/cm2,流速为20—30m/s时系统的波前畸变和提取效率较佳;泵浦光功率密度增大时,需要更大的流速减小增益区内的热积累。根据理论分析和模拟结果,利用循环流动装置对系统开展深入的实验研究,通过研究获得高平均功率、高光束质量、高重复频率的激光输出的方法,较之静态出光的实验能得到更好的系统性能。流动过程中流速的不稳定性、管道的振动及液体介质中杂质沉积等不稳定因素对系统性能影响很大,有待进一步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 3+无机液体激光系统概述'>1.1 掺Nd³⁺无机液体激光系统概述
• 3+无机液体激光系统发展近况'>1.1.1 掺Nd³⁺无机液体激光系统发展近况
• 3+无机液体激光系统'>1.1.2 Livermore实验室掺Nd³⁺无机液体激光系统
• 1.2 无机液体激光循环系统概述
• 1.2.1 液体循环流动工作方式
• 1.2.2 液体循环流动中的湍流效应
• 3+无机液体的光学特性'>1.3 掺Nd³⁺无机液体的光学特性
• 3+的液体介质的光谱'>1.3.1 掺Nd³⁺的液体介质的光谱
• 3+液体介质的传输损耗'>1.3.2 掺Nd³⁺液体介质的传输损耗
• 1.4 论文主要研究内容
• 1.4.1 拟解决的问题和可行性分析
• 1.4.2 主要内容
• 第二章 理论模型及分析
• 2.1 介质的流场状态
• 2.1.1 增益介质区的雷诺数
• 2.1.2 附面层厚度及分层
• 2.1.3 其它状态参量
• 2.2 湍流场中的温度扰动推导
• 2.2.1 定常流能量方程
• 2.2.2 温度扰动方程的推导
• 2.2.3 湍流场中的温度扰动
• 2.3 湍流理论分析
• 2.3.1 湍流切变流方程分析
• 2.3.2 影响转捩的因素
• 2.4 系统增益与能量转换效率
• 2.4.1 四能级速率方程
• 2.4.2 系统的增益与饱和
• 2.4.3 能量转换效率
• 2.5 理论模型建立与比较
• 2.5.1 理想湍流模型的波前畸变
• 2.5.2 管道中湍流场内的温度分布
• 2.5.3 理想湍流模型与层流模型的比较
• 2.6 本章小结
• 第三章 流场特性对激光性能的影响
• 3.1 数值模拟模型
• 3.1.1 辐射模型及求解方法
• 3.1.2 泵浦区模型及参量
• 3.2 湍流特性对激光传输的影响
• 3.2.1 湍流传输基本参数
• 3.2.2 光束通过湍流激光介质特性
• 3.2.3 光束通过湍流激光介质分析推导
• 3.2.4 光传输中的散射损耗
• 3.3 湍流特性对波前畸变的影响
• 3.3.1 湍流扰动程度
• 3.3.2 附面层厚度
• 3.3.3 介质的温度梯度分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 液体激光系统光束质量
• 4.1 光束质量SR评估
• 4.2 介质提取区域分析
• 4.3 介质特性对系统光束质量的影响
• 4.3.1 介质初始平均温度
• 4.3.2 介质吸收系数
• 4.3.3 其它介质参量
• 4.4 本章小结
• 第五章 无机液体激光循环系统实验方案
• 5.1 无机液体激光介质荧光寿命测量
• 5.2 无机液体激光循环系统实验
• 5.2.1 液体传输材料选择
• 5.2.2 循环系统实验基本结构
• 5.2.3 循环系统实验内容
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 1.发表论文情况
• 2.参加学术会议