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1、&激光杂志∋2005年第26卷第6期LASERJOURNAL(Vol.26.No.6.2005)25高功率激光器输出窗口热效应的数值分析盛朝霞,李凤敏,郭力,刘翅,郭建军,石少波(天津工程师范学院数理与信息科学系,天津300222)提要:利用格林函数解析法,针对高功率激光器中常见的环形分布激光束,计算并分析了由化学氧碘激光器目前比较流行的几种光学材料蓝宝石(Al2O3)、石英玻璃(SiO2)、单晶硅(Si)组成的窗口镜的温度场分布以及热畸变特性。计算结果表明,在激光辐照的5秒时间内,
2、温升场主要集中在激光束辐照的环形区域内,在整个镜面上远未拉平,由此引起的径向热变形也很不均匀。在激光辐照功率为50kW,辐照时间为5s的情况下,Al2O3、SiO2、Si,三种窗口镜的最大热变形量分别是1.993m,0.393m,和6.251m。关键词:热变形;高能激光;激光输出窗口;格林函数中图分类号:TN248文献标识码:A文章编号:0253-2743(2005)06-0025-02Numericalanalysesofthermaldistortionsofoutputw
3、indowforhighpowerlasersSHENGZhao-xia,LIFeng-min,GUOLi,LIUChi,GUOJian-jun,SHIShao-bo(DepartmentofMathematicsandPhysics,TianjinUniversityofTechnologyandEducation,Tianjin300222,China)Abstract:AccordingtoanalysisofGreensfunction,afewkindsofopticalmaterial
4、ssuchasAl2O3,SiO2,andSietc.usuallyusedassubstratesofwindowmirrorinchemicaloxygen-iodinelaser(COIL)systemsareanalyzedindetail.Thetemperaturedistributionsandthermaldeformationsofthesesubstratesunderirradiationofannularly-distributedlaserbeamaregiven,disc
5、ussedandcompared.Itisfoundthatin5sofirradiation,remarkabletemperatureriseoccursmainlyintheirradiatedannularareawhileitsdistributionoverthewindowisfarfromauniformone,sodoesthethermaldeformation.Underconditionsofirradiatingof50kWintense,laserattheirradia
6、tiontimeof5s,maximumthermaldeformationinsapphire,silica,andsiliconsubstratesis1.993,0.393,and6.251m,respectively.Keywords:thermaldistortion;highpowerlaser;laseroutputwindow;Greensfunetion在激光的许多应用中(如激光加工、激光传输),激光光22T#(r,z,t)1T#(r,z,t)T#(r,z,t)12++2
7、+g(r,z,t)束质量的好坏越来越成为影响激光在应用领域中进一步发rrrz!展的重要因素。而在高功率激光系统中,激光输出窗口由于1T#(r,z,t)=,0r0吸收一部分光能而形成局部蓄热,温度梯度增大,产生热变∀t形,从而改变输出激光的光束质量,这严重限制了高能激光(1-a)器性能的提高。因此在高功率连续激光的应用中,激光窗口初始条件和边界条件表示为热效应一直是激光科学工作者非常关心的课题。而研究热T#+HT#=0,r=b,t>0(1-b)效应对激光光束质量的影响,首先
8、要知道激光透过时窗口热r变形的量值和分布。关于这方面的研究已有一些文献报##1,3!z=0,z=0,t>0(1-c)道,但它们多是实验测量或有限元数值计算方面的工作,没有给出定量的规律性描述。本文利用格林函数,从一般的T#+HT#=0,z=d,t>0(1-d)热传导方程出发,得到了激光输出窗口的温度场和热变形分z布的表达式,并就实际应用中常见的激光束环形分布情形,T#=0,t=0区域内(1-e)计算并分析了蓝宝石、石英、硅三种窗口镜在激光辐照下的其中∀为热扩散系数
