大能量钕玻璃棒状激光器新型热管理技术

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1、!第!"卷!第!期强激光与粒子束#$%&!"!’$&!!!())*年!月+,-+./012345124’6.427,831914:5;<=&!())*!文章编号!!!))!>?@(("())*#)!>))@A>)A大能量钕玻璃棒状激光器新型热管理技术"欧群飞!!(!!钟!鸣!!!叶大华!!!林菊平!!!刘向东!!刘文兵!!!夏惠军!!!黄燕琳!!!田国周@!!杜春蕾("!!西南技术物理研究所!成都B!))?!$!(!中国科学院成都光电研究所!成都B!)()"$!@!四川大学物理系!成都B!))B?#!!摘!要!!针对C;级大能量钕玻璃固体脉冲激光器

2、!对比研究了传统恒温水冷方式和采用加热控制的新型热管理技术下的激光棒温度分布情况%结果表明!采用新型热管理技术可大大降低棒内温度梯度!减小泵浦过程中的热效应!确保大能量激光输出$而且加热循环水的最佳升温值在单泵浦脉冲引起的激光棒平均温升值附近!使得径向温差最小!该最佳升温值与脉冲间隔时间有关!比如脉冲间隔!AD时!循环水在每个脉冲过后的最佳升温值为单泵浦脉冲引起的激光棒平均温升值的)&EA倍$采用加热控制后水温和激光棒温度整体升高!因此在工作一个脉冲串后!必须恢复激光棒温度到初始状态!然后再进行下一个脉冲串工作%!!关键词!!激光技术$!热管理$!

3、温度分布$!大能量钕玻璃固体激光器!!中图分类号!!7’(?E&!!!!!文献标识码!!4!!众所周知!固体激光器的介质热效应会使激光束产生光学畸变!降低光束质量!甚至对激光工作物质造成破坏%目前!国内外对激光介质热效应的研究在理论上已基本成熟!研究人员对不同几何形状&泵浦方式及结’!>B(’*(构下的激光介质热效应问题进行了深入研究%虽然传统热管理技术基本能够满足常规激光器的需要!但对大能量固体激光器而言!如何选择合适的热管理技术仍然是非常关键的技术难题%为此人们提出了多种技’E(’"(术途径!比如热容工作方式!将发射激光与冷却过程分时进行!实现

4、了@)C0平均功率输出$紧凑有源反射镜激光器!将薄片激光介质固定在带微通道冷却器的刚性基体上!从薄片侧边进行泵浦!实现了!C0激光输’!)(’!!(出%而传统闪光灯泵浦钕玻璃棒状激光器由于热效应的限制!难以获得大能量高质量光束输出%!!本文针对闪光灯泵浦的C;级大能量钕玻璃棒状激光器!对比研究了传统水冷方式和采用加热控制的新型热管理技术下的激光棒温度分布情况!研究了加热控制升温值的优化过程%传统冷却方式是指冷却液温度恒定!对激光介质进行强制冷却%而新型热管理是将传统水冷和加热控制相结合的方式!在一个泵浦脉冲结束时!快速升高循环水温度!以降低激光棒温

5、度梯度!当输出一个脉冲串后!再冷却循环水和激光棒%"!理论基础!!C;级钕玻璃激光器泵浦结构如图!所示%图!"<#为泵浦结构示意图!?只闪光灯位于方形漫反射器?FGH&!!"<#I=JKGIL$MNOIPQRPDNSQTNQSI!"U#DGJIKGIL$MNOI%

6、图!!"<#泵浦结构示意图$"U#激光棒侧视图及坐标定义$"T#激光棒冷却边界条件%棒两端阴影表示未泵浦部分"收稿日期!())B>)?>!*$!!修订日期!())B>)E>!*作者简介!欧群飞"!"**)#!男!湖南武冈人!博士后!现从事大能量固体激光器的研究$IMIG?Q!D$OQ&T$R%8J强激光与粒子束第!C卷角!对激光棒进行侧面泵浦"为了简化分析!认为棒内泵浦光分布具有轴对称性"图!#"$给出了计算采用的坐标系#!!"$!!为半径方向!"为纵向光轴方向!#为棒半径!$为未泵浦的两端长度!$为有效泵浦长度"图#$!#%$示出了棒表面冷却条件

7、"被泵浦区域外表面!!受到冷却水强制对流冷却!水温为"!!对流换热系数为%!%棒端未被泵浦的外表面!&与空气接触!空气温度为"&!对流换热系数为%&"!!由于激光棒温升范围不大!可假设其热物性参数为定值"激光棒温度分布满足热传导方程及条件&&""&""&""&’#!!"!($*#+$""#!’$&&"!!"!""))"("")*-%,#"-",$!!!!!#边界条件,*!!&$#!"$"!!,".(*(*"(!#初始条件$#!%$式中&为介质密度%+为介质的质量定压热容%)为热导#1率%"为初始时刻温度%’#!!"!($表示激光介质的内热(源强度!

8、它与激光器工作方式和泵浦光分布有关"!!假设激光器共发出2个脉冲串!串与串的间隔时间为热恢复时间(%串内包含有3个脉冲!泵