大尺寸钕玻璃板条激光介质热效应分析

论文摘要

以激光冲击强化系统的研究为背景,针对作为系统主放大器增益介质的一种大尺寸钕板条激光介质的热效应问题进行了理论模拟和分析。激光介质工作时产生的废热会导致介质内产生温度梯度,进而使介质产生应力和形变,最终导致激光介质产生畸变和退偏,甚至引起介质的破裂,导致严重的热效应。热效应越来越严重地影响到激光器的输出功率、光束质量、输出稳定性等激光器关键性能的进一步提高,因此放大器激光介质的选择和热管理对高脉冲能量高峰值功率激光系统至关重要。大尺寸钕玻璃板条激光介质由于板条几何构型激光介质散热能力强,能承受更高的泵浦功率或能量;通过几何构型消除了应力双折射;通过使激光光束在板条内以之字形光路全内反射式传输,消除了一阶热和应力聚焦;钕玻璃具有良好的储能特性和大的储能体积。大尺寸钕玻璃板条激光介质是高脉冲能量、高峰值功率激光系统的一种有竞争力的选择。本文研究了一种应用于高能量、高峰值功率激光系统的大尺寸钕玻璃板条激光介质的热效应,给出了热效应产生的理论基础,采用解析分析和数值模拟两种手段分析板条介质内的泵浦光、温度、应力及形变分布,根据分析结果得到了相应的优化结论。对于大尺寸板条激光介质,由于其大尺寸和一般具有大宽厚比这样的几何结构特点,可将其热效应研究归纳为泵浦均匀性、侧边效应、端面效应三个主要方面的内容。具体包括:首先利用描光软件TracePro模拟和比较了不同腔型的光分布,选定了一种泵浦大尺寸板条介质的反射体,并模拟了不同泵浦结构参数下的泵浦均匀性,确定了泵浦灯在聚光腔内的最佳位置,以取得较好的泵浦均匀性。其次,利用有限元分析软件Ansys对板条的温度及应力应变场进行了模拟计算,结果表明即使在均匀泵浦及冷却下,板条仍然会因为侧边效应和端面效应而使通光光束产生畸变和退偏;模拟了不同宽厚比板条的温度和应力、形变,根据系统对热效应和通光孔径的要求确定了板条的参考尺寸。最后根据畸变退偏理论自编程序数值计算了板条介质热畸变、热退偏。着重研究了侧边效应和端面效应对介质畸变和退偏的影响,并根据分析结果给出了处理方法。模拟了泵浦不均匀对板条介质热畸变和热退偏的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景、现状与意义
• 1.2 板条激光介质热效应简介
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 泵浦均匀性
• 2.1 聚光腔的设计理论
• 2.1.1 聚光腔材料的选取
• 2.1.2 聚光腔的聚光效率
• 2.1.3 泵浦均匀性
• 2.1.4 常见的几种泵浦板条的聚光腔
• 2.2 不同腔型均匀性及传输效率分析
• 2.3 不同腔结构参数影响分析
• 2.3.1 改变灯的高度，模拟反射体的泵浦均匀性
• 2.3.2 改变 X 坐标的位置模拟反射体的泵浦均匀性
• 2.4 小结
• 第3章 热效应的理论基础及解析分析
• 3.1 温度场问题的描述
• 3.1.1 热传导的几种方式
• 3.1.2 温度场的基本描述
• 3.2 温度场问题的解析分析
• 3.3 应力应变场问题的描述
• 3.4 应力应变场问题的解析分析
• 3.5 小结
• 第4章 钕玻璃板条温度及应力形变的数值模拟
• 4.1 温度及应力形变分布数值分析
• 4.1.1 钕玻璃板条及其泵浦结构
• 4.1.2 钕玻璃板条介质的内热源分布
• 4.1.3 板条介质温度分布计算
• 4.1.4 板条介质应力和形变分布
• 4.1.5 计算结果分析
• 4.2 不同宽厚比下板条温度及应力、形变计算
• 4.2.1 不同宽厚比下板条温度计算
• 4.2.2 不同宽厚比下板条应力及形变计算
• 4.2.3 计算结果分析
• 4.3 小结
• 第5章 板条热畸变及热致退偏分析
• 5.1 热致畸变、退偏理论及其数值计算的光线追迹方法
• 5.1.1 温度梯度导致的畸变
• 5.1.2 板条形变导致的畸变
• 5.1.3 板条介质应力场导致的畸变和退偏
• 5.2 侧边效应
• 5.2.1 板条畸变和退偏数值模拟
• 5.2.2 计算结果分析
• 5.3 端面效应
• 5.3.1 非泵浦区大小不同对畸变和退偏的影响模拟
• 5.3.2 计算结果分析
• 5.4 泵浦不均匀性的影响
• 5.5 小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文和申请的专利
• 致谢