高能量固體激光器熱管理技術(shù)分析.pdf

1、自從1960年Maiman發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器以來(lái)，世界各國(guó)都在努力發(fā)展激光技術(shù)，現(xiàn)在各種各樣的激光器已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。高能激光在軍事上的巨大應(yīng)用前景，促使各國(guó)采取各種先進(jìn)技術(shù)途徑努力提高固體激光器的輸出能量。在光抽運(yùn)過(guò)程中激光介質(zhì)吸收泵浦輻射而產(chǎn)生的熱，加上冷卻過(guò)程造成的熱流結(jié)合起來(lái)構(gòu)成了激光介質(zhì)的各種熱效應(yīng)。隨著泵浦功率增加，熱效應(yīng)隨之加劇，使激光器的閾值升高、效率降低、并導(dǎo)致折射率分布不均，產(chǎn)生光學(xué)畸變，劣化光學(xué)質(zhì)

2、量。因此高功率激光器熱效應(yīng)問題的研究，是一個(gè)十分重要而有意義的研究課題。現(xiàn)有的熱管理技術(shù)已經(jīng)基本能夠滿足很多需要，但是要使激光器向更高的平均功率發(fā)展，就需要采取更有效的熱管理技術(shù)。本文以激光武器的發(fā)展應(yīng)用為背景，分析了固體激光器中的熱效應(yīng)以及熱管理技術(shù)，主要工作包括： 1．分析了我國(guó)發(fā)展高能固體激光武器的可行性方案。高能激光武器的巨大潛 早己被人們所認(rèn)識(shí)到，各國(guó)都在努力發(fā)展自己的高平均功率激光器。美國(guó)憑借其雄厚的科研和資金優(yōu)勢(shì)，

3、走技術(shù)攻關(guān)的道路，除了已有的化學(xué)激光器，又發(fā)展了熱容固體激光器，形成了多元化的格局，可以根據(jù)不同的情況，選擇最合適的方案；而俄羅斯卻在單發(fā)脈沖達(dá)到2000J的基礎(chǔ)上，對(duì)燈泵釹玻璃激光器進(jìn)行改造，采用新型熱管理技術(shù)和集成技術(shù)，使其達(dá)到了百kW級(jí)的平均功率，和美國(guó)可謂是殊途同歸。分析了目前高平均功率固體激光器的幾種技術(shù)途徑。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)水平和設(shè)備，我國(guó)發(fā)展戰(zhàn)術(shù)激光武器采用燈泵玻璃激光器的方案是可行的。 2．分析了熱效應(yīng)產(chǎn)生的原

4、因，以及影響激光介質(zhì)中溫度分布的因素，包括光源的影響、激光工作物質(zhì)幾何形狀的影響以及激光器工作方式的影響。分析了激光介質(zhì)中的熱效應(yīng)，得出結(jié)論：減小介質(zhì)中的溫度梯度，可以減小激光介質(zhì)的熱效應(yīng)，提高泵浦效率，改善光束質(zhì)量。介紹了當(dāng)前的熱管理技術(shù)，總結(jié)了當(dāng)前減小、補(bǔ)償熱效應(yīng)的一些方法。從以上的分析可以得出，為保證高平均功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，采用措施減小激光介質(zhì)中的熱梯度是必要的。 3．對(duì)2000J大能量釹玻璃激光器的新型熱管理技

5、術(shù)進(jìn)行了研究。采用光線追跡法，計(jì)算了采用漫反射腔內(nèi)四燈泵浦方式時(shí)釹玻璃棒吸收的泵浦光分布；根據(jù)激光棒吸收的泵浦光的分布情況，計(jì)算了一個(gè)泵浦脈沖過(guò)后，激光棒內(nèi)的瞬態(tài)溫升；從熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，采用有限差分法，分別計(jì)算了傳統(tǒng)冷卻方式(冷卻水溫恒定)和新型熱管理方式(傳統(tǒng)水冷與加熱控制相結(jié)合)下，激光棒脈沖串工作時(shí)的溫度分布，并對(duì)兩種熱管理方式下激光棒中的最大溫度差進(jìn)行了對(duì)比，可以得出結(jié)論：采用新型的熱管理技術(shù)，可以大大減小激光介質(zhì)中的溫度梯度，