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目前广泛应用的全固态激光器由于固有的“热问题”而制约了其向更高能量/功率,更高光束质量和更高效率方向发展。改进和发展“热管理”技术成为热点研究课题。对此,本文系统地调研了体块型固体激光、溶液型液体激光和浸没式液冷、分布式增益的“液体”激光中的热管理技术,分析评估了各自的长处和局限性,提出了“流体激光”——可流动的固体激光技术的理念,旨在探索一种兼有体块型固体激光优点和液体激光流动性优势的新构型激光技术。 论文探索研究两种类型的流体激光实现途径:其一是纳米分散型体制,即将固体激光介质分解为微观尺度的纳米粉体,均匀分散到特种溶液中,配制成宏观上透明且易流动的流体激光介质。其二是将固体激光介质分解为宏观尺度(mm量级)的固体颗粒,浸没在特定的折射率匹配液中,匹配液可快速循环流动,实现高效的浸没式液冷功能。两种技术途径的研究取得显著进展,创新性研究成果已被Opt.Communications等学术刊物接收,SCI收录论文2篇,EI收录1篇,申请受理发明专利1项。 本文主要研究内容和创新点有: 一、首次提出浸没式液冷、分布式增益的“固体微球阵列”新构形,进行概念设计、数值模拟、微球和匹配液制备,成功完成了演示验证试验,取得突破性进展。研究成果在国际学术会议报告、Optics Communications等SCI学术刊物发表、申请并受理发明专利一项。 1、概念设计和数值模拟 基于FLUENT6.3.26软件,建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型,研究了微球尺度、排布方式、微球层数、匹配液流速和泵浦频率等因素对温度场,流场等关键参数的影响,完成LD泵浦钕玻璃微球阵列激光构形的概念设计。 2、选择并制备了适用的匹配液(兼冷却液),以1,2二溴乙烷和1,1,2,2四溴乙烷混合配比,折射率可在1.539-1.637间精确调控。对溶液的化学耐溶性和光化学稳定性作了细致的实验研究。 3、提出并实现了折射率“预置”和冷却液温控组合的动态平衡技术,实现了动态工作条件下折射率匹配的最佳化,形成发明专利。动态折射率匹配技术,也适用于采用液体浸没式冷却的其它构形激光器。 4、构建双层4mm钕玻璃微球阵列激光器,实现了107mJ/1Hz的稳定可靠运转,验证了动态折射率匹配及热管理措施的有效性,展示了流体激光技术路线的可行性。 二、在成功制备Nd2O3纳米分散材料基础上,进一步研究制备了两种新型增益介质的纳米粉体,研究了不同结构有机修饰剂对纳米颗粒荧光特性的影响,发现并证实了苯环结构修饰剂相较于直链烃结构修饰剂具有更好的荧光性能,为进一步发展指明了方向,研究成果在Journal of Rare Earths上发表(SCI收录)。