摻釹玻璃微球陣列激光器及其熱管理研究.pdf

1、ResearchonSolidMicrospheresLaserandItsThermalManagementThesisSubmittedtoNanjingUniversityofPostsandTelecommunicationsfortheDegreeofMasterofEngineeringByDingJianyongSupervisor：ProfPengBoMarch2013摘要近年來，高平功率、高能量輸出的激光器在社會各領域

2、得到廣泛應用，是當前激光技術領域研究的熱點之一。在追求激光系統(tǒng)高平均功率輸出時，固體增益介質的熱效應問題就會顯得尤為突出。為解決固體激光器的熱效應問題，本文提出了一種新的激光器構型，該型激光器將固體顆粒(釹玻璃微球)規(guī)則排列在比色皿中，以釹玻璃微球作為激光增益介質，折射率匹配液循環(huán)流動。該構型激光器即繼承了固體激光材料良好的激光性能，又具有液體激光器的可流動性，是目前效率最高的冷卻方式。本論文首先論述了高能激光系統(tǒng)的國內外發(fā)展歷程及最新

3、的科研成果。然后基于四能級激光系統(tǒng)速率方程推導了激光器的輸出功率、閾值及影響激光輸出的相關因素，為下一步的實驗打好理論基礎。泵浦系統(tǒng)是激光器的關鍵部分之一，本文采用ZEMAX軟件對泵浦耦合系統(tǒng)進行模擬仿真和優(yōu)化，使泵浦耦合效率最大化。接著，結合LD泵浦源和釹玻璃微球物理參數(shù)，研究了增益區(qū)吸收泵浦能量后的溫度分布情況。鑒于激光器的增益區(qū)在進行熱分析時涉及到熱學、流體力學和激光光學的知識，本文通過FLUENT6326建立了微球陣列流場的熱流

4、固三維物理場耦合模型進行仿真分析，研究了釹玻璃微球陣列的溫度分布與自身尺寸、匹配液流速、微球層數(shù)和泵浦頻率的變化關系及其對波前畸變的影響。在實驗階段，重點研究了微球陣列激光器的理化特性。首先，制備了不同直徑的摻Nd升的玻璃微球和不同折射率的匹配液，測試了玻璃微球的折射率、吸收光譜、熒光光譜及匹配液的折射率溫度系數(shù)，對各樣本的耐溶性和光照穩(wěn)定性進行了對比分析，驗證了該構型增益介質用于高功率激光系統(tǒng)的可行性。然后，設計了能夠實時監(jiān)控液體壓力

5、和溫度，具有高潔凈度的循環(huán)系統(tǒng)，搭建了片狀釹玻璃激光器和不同直徑的釹玻璃微球陣列激光器的實驗光路，成功地實現(xiàn)了流動循環(huán)條件下的激光振蕩輸出。在實驗中系統(tǒng)測試了泵浦系統(tǒng)的耦合效率、微球陣列激光器的斜率效率和脈沖寬度，獲得了微球陣列激光器的遠場光斑，采集了激光器連續(xù)200次脈沖工作下的激光輸出能量。實驗數(shù)據(jù)表明，該激光器最大單脈沖能量為115mJ，峰值功率可達115KW。本文對于折射率匹配液冷卻的摻釹玻璃微球陣列激光器的研究，為解決固體激光