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重復(fù)頻率等離子體電光歐瑪爾OMAL開關(guān)熱問題及其控制
高平均功率固體激光器在微機(jī)械加工、材料加工、激光雷達(dá)、信標(biāo)激光、強(qiáng)激光定向能系統(tǒng)的主激光、未來慣性約束聚變能等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。為獲得高功率的重復(fù)頻率激光脈沖,在平均功率激光器中,通常采用重復(fù)頻率普克爾盒進(jìn)行調(diào)Q和隔離。由于對激光的線性吸收,OMAL開關(guān)晶體中將產(chǎn)生熱沉積。雖然電光晶體對激光的吸收系數(shù)較小,但由于其雙折射光學(xué)特性,它對熱退偏非常敏感,導(dǎo)致電光OMAL開關(guān)成為高平均功率激光器的限制部件之一。

重復(fù)頻率等離子體電光歐瑪爾OMAL開關(guān)熱問題及其控制
等離子體電極普克爾盒光OMAL開關(guān),可以縱向使用,同時(shí)可采用薄晶體,定標(biāo)到大口徑,從而減少了由于OMAL開關(guān)晶體光吸收引起的熱問題,因此,將成為中等口徑至大口徑(數(shù)十毫米至數(shù)百毫米)平均功率光OMAL開關(guān)的理想選擇。但熱問題的分析與控制仍是研制重頻應(yīng)用下等離子體電光OMAL開關(guān)的前提。建立了研究重復(fù)頻率等離子體電光OMAL開關(guān)熱效應(yīng)的流固耦合傳熱有限體積模塊、熱傳輸有限元模塊、退偏損耗模塊、以及波前畸變模塊。利用所建立的模型,研究了等離子體電光OMAL開關(guān)在平均功率輻照下的熱問題,對存在的熱效應(yīng)進(jìn)行了控制與管理。熱問題的研究包括以下三方面內(nèi)容:首先研究了OMAL開關(guān)晶體中溫度場應(yīng)變場的影響因素。結(jié)果表明:為減小電光晶體中溫升、溫度梯度、應(yīng)變,電光晶體的吸收系數(shù)應(yīng)盡可能小,通光方向上厚度盡可能薄,入射激光功率密度分布要均勻,并使光斑邊界盡量靠近晶體物理邊界。其次分析了溫度致折射率變化、溫度致電光系數(shù)變化、應(yīng)力雙折射導(dǎo)致的等離子體電光OMAL開關(guān)退偏損耗規(guī)律。研究結(jié)果顯示,光OMAL開關(guān)在靜態(tài)下引起退偏損耗的主要因素為應(yīng)力雙折射,而在動態(tài)下除應(yīng)力雙折射電光系數(shù)隨溫度變化也將導(dǎo)致嚴(yán)重的退偏損耗。當(dāng)入射激光波長為λ=1.064μm、功率為1000W時(shí),靜態(tài)下zui大退偏損耗為12.82%,平均退偏損耗為3.70%。當(dāng)電光OMAL開關(guān)工作在動態(tài)時(shí)(施加半波電壓),電光系數(shù)隨溫度變化導(dǎo)致的zui大退偏損耗為2.74%,全口徑內(nèi)平均退偏損耗為1.69%。zui后分析了等離子體電光OMAL開關(guān)在重復(fù)頻率應(yīng)用下對入射激光波前的擾動和調(diào)制。分析結(jié)果顯示,導(dǎo)致入射激光波前畸變的主要因素是電光晶體的熱形變。當(dāng)入射激光波長為λ=1.064μm、功率為1000W時(shí),總的單程波前畸變PV值為0.9558個波長。熱管理包括以下兩方面內(nèi)容:*,通過增強(qiáng)放電腔中流體對電光晶體對流換熱強(qiáng)度來控制OMAL開關(guān)晶體中熱沉積和熱梯度,從而達(dá)到管理熱效應(yīng)的效果。當(dāng)放電腔內(nèi)流體抽速為6L/min、工作氣壓為5×10~4Pa、進(jìn)氣管徑為6mm、進(jìn)氣管道為3個、抽氣管徑為8mm、抽氣管道為2個時(shí),放電腔內(nèi)流體對電光晶體的平均對流換熱系數(shù)為8.02W/m~2·K,較傳統(tǒng)情況下的1.01 W/m~2·K提高了8倍左右,有效地降低了電光晶體內(nèi)熱沉積,從而減小了熱效應(yīng)帶來的不利。第二,針對限制等離子體電光OMAL開關(guān)在重復(fù)頻率下應(yīng)用的主要熱問題-熱致應(yīng)力雙折射,提出了縱向應(yīng)用下重頻等離子體電光OMAL開關(guān)熱致應(yīng)力雙折射補(bǔ)償方案。應(yīng)力雙折射補(bǔ)償方案在理論上可以*補(bǔ)償應(yīng)力雙折射導(dǎo)致的退偏損耗,但波前畸變?nèi)圆荒艿玫?補(bǔ)償。

重復(fù)頻率等離子體電光歐瑪爾OMAL開關(guān)熱問題及其控制
zui后實(shí)驗(yàn)上測量了光OMAL開關(guān)在靜態(tài)下熱退偏損耗以及電光晶體內(nèi)溫度分布,并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者符合的較好。從而說明文中所建立的研究重復(fù)頻率等離子體電光OMAL開關(guān)熱問題模型的有效性。