重复频率等离子体电光开关热问题及其控制

论文摘要

高平均功率固体激光器在微机械加工、材料加工、激光雷达、信标激光、强激光定向能系统的主激光、未来惯性约束聚变能等方面有着广阔的应用前景。为获得高功率的重复频率激光脉冲,在平均功率激光器中,通常采用重复频率普克尔盒进行调Q和隔离。由于对激光的线性吸收,开关晶体中将产生热沉积。虽然电光晶体对激光的吸收系数较小,但由于其双折射光学特性,它对热退偏非常敏感,导致电光开关成为高平均功率激光器的限制部件之一。等离子体电极普克尔盒光开关,可以纵向使用,同时可采用薄晶体,定标到大口径,从而减少了由于开关晶体光吸收引起的热问题,因此,将成为中等口径至大口径（数十毫米至数百毫米）平均功率光开关的理想选择。但热问题的分析与控制仍是研制重频应用下等离子体电光开关的前提。本文建立了研究重复频率等离子体电光开关热效应的流固耦合传热有限体积模块、热传输有限元模块、退偏损耗模块、以及波前畸变模块。利用所建立的模型,研究了等离子体电光开关在平均功率辐照下的热问题,对存在的热效应进行了控制与管理。热问题的研究包括以下三方面内容:首先研究了开关晶体中温度场应变场的影响因素。结果表明:为减小电光晶体中温升、温度梯度、应变,电光晶体的吸收系数应尽可能小,通光方向上厚度尽可能薄,入射激光功率密度分布要均匀,并使光斑边界尽量靠近晶体物理边界。其次分析了温度致折射率变化、温度致电光系数变化、应力双折射导致的等离子体电光开关退偏损耗规律。研究结果显示,光开关在静态下引起退偏损耗的主要因素为应力双折射,而在动态下除应力双折射电光系数随温度变化也将导致严重的退偏损耗。当入射激光波长为λ=1.064μm、功率为1000W时,静态下最大退偏损耗为12.82%,平均退偏损耗为3.70%。当电光开关工作在动态时（施加半波电压）,电光系数随温度变化导致的最大退偏损耗为2.74%,全口径内平均退偏损耗为1.69%。最后分析了等离子体电光开关在重复频率应用下对入射激光波前的扰动和调制。分析结果显示,导致入射激光波前畸变的主要因素是电光晶体的热形变。当入射激光波长为λ=1.064μm、功率为1000W时,总的单程波前畸变PV值为0.9558个波长。热管理包括以下两方面内容:第一,通过增强放电腔中流体对电光晶体对流换热强度来控制开关晶体中热沉积和热梯度,从而达到管理热效应的效果。当放电腔内流体抽速为6L/min、工作气压为5×104Pa、进气管径为6mm、进气管道为3个、抽气管径为8mm、抽气管道为2个时,放电腔内流体对电光晶体的平均对流换热系数为8.02W/m2·K,较传统情况下的1.01 W/m2·K提高了8倍左右,有效地降低了电光晶体内热沉积,从而减小了热效应带来的不利。第二,针对限制等离子体电光开关在重复频率下应用的主要热问题-热致应力双折射,提出了纵向应用下重频等离子体电光开关热致应力双折射补偿方案。应力双折射补偿方案在理论上可以完全补偿应力双折射导致的退偏损耗,但波前畸变仍不能得到完全补偿。最后实验上测量了光开关在静态下热退偏损耗以及电光晶体内温度分布,并与数值模拟结果进行了比较,两者符合的较好。从而说明文中所建立的研究重复频率等离子体电光开关热问题模型的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外发展与研究现状
• 1.2.1 等离子体电光开关简介
• 1.2.2 等离子体电光开关发展历史
• 1.2.3 重复频率等离子体电光开关研究现状
• 1.2.4 目前提出的热效应解决方案
• 1.3 本论文主要研究内容
• 1.4 研究方法简述
• 第二章 研究重复频率等离子体电光开关热问题的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 对流换热模型
• 2.3 热传输模型基本理论
• 2.4 热弹性力学模型
• 2.5 热退偏损耗基本理论
• 2.5.1 温度致折射率、电光系数变化引起的退偏损耗
• 2.5.2 应力双折射致退偏损耗
• 2.6 重频等离子体电光开关的波前畸变基本理论
• 2.7 本章小结
• 第三章 重复频率等离子体电光开关热问题数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 重复频率激光辐照下电光晶体中温度场和应变场的影响因素
• 3.2.1 吸收系数对温度场应变场分布影响
• 3.2.2 晶体厚度对温度场应变场分布影响
• 3.2.3 光斑边界与晶体边界相对距离对温度场应变场分布影响
• 3.2.4 功率密度分布不同对晶体中温度场应变场分布影响
• 3.3 热力学平衡状态下开关的退偏损耗和波前畸变
• 3.3.1 热力学平衡状态下电光晶体的温度场应变场分布
• 3.3.2 热退偏损耗
• 3.3.3 热致波前畸变
• 3.4 本章小结
• 第四章 重复频率等离子体电光开关热问题控制
• 4.1 引言
• 4.2 流固耦合对流换热强度分析
• 4.2.1 脉冲工作模式下流固耦合传热
• 4.2.2 对流换热系数影响因素
• 4.3 应力双折射补偿
• 4.3.1 电光晶体中热梯度
• 4.3.2 应变效应
• 4.3.3 退偏损耗补偿方案
• 4.3.4 应力双折射补偿电光开关引入的波前畸变分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 静态下电光开关退偏损耗实验研究
• 5.1 实验方案设计
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 数据获取
• 5.2.2 实验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录