【摘 要】
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高功率固体激光器在科研、工业、军事和医疗等领域有重要应用。热效应限制了激光器输出功率和光束质量的进一步提高,研究激光器内的热效应并给出针对性的设计方案对改善激光器性能有重要意义。本文建立了实际应用情况下高功率LD侧面泵浦Nd:YAG激光器的热分析模型,研究了激光器的热效应。本文首先分析了固体激光器的产热机制,介绍了LD侧面泵浦固体激光模块的机械结构和Nd:YAG晶体的性质,研究了Nd:YAG晶体热
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高功率固体激光器在科研、工业、军事和医疗等领域有重要应用。热效应限制了激光器输出功率和光束质量的进一步提高,研究激光器内的热效应并给出针对性的设计方案对改善激光器性能有重要意义。本文建立了实际应用情况下高功率LD侧面泵浦Nd:YAG激光器的热分析模型,研究了激光器的热效应。本文首先分析了固体激光器的产热机制,介绍了LD侧面泵浦固体激光模块的机械结构和Nd:YAG晶体的性质,研究了Nd:YAG晶体热导率和表面传热系数随温度的变化规律。根据晶体均匀发热模型,通过对热弛豫时间的计算,证明了在高重复频率激光器中Nd:YAG晶体的热分布可以达到连续条件,求解热传导方程,得到了热平衡状态下晶体径向上的温度和热应力分布规律。针对实际应用情况,利用光线追迹法获得了泵浦光在晶体边界处的光强分布,使用有限元分析方法,建立了非均匀泵浦条件下,LD侧面泵浦Nd:YAG激光器的热分析模型,通过饱和吸收方程得到了晶体截面上的吸收功率分布,利用二维热传导方程和边界条件得到了温度变化,根据温度梯度和热平衡方程可以求解晶体内的热应力。研究了泵浦源的重复频率、LD发散角、晶体的掺杂浓度、晶体直径和晶体中心到泵浦源的距离等变量对热效应的影响,通过模型优化以上变量得到了泵浦光分布均匀、温度梯度和热应力小的侧泵模块。对比研究了理论模型与LASCAD软件的侧面泵浦Nd:YAG热仿真结果,说明了本理论模型的优势;实验研究了不同模块的荧光空间分布,说明优化后模块的性能更加优异;设计了利用He-Ne激光器作为探测光的热致双折射实验,对比理论和实验研究结果,讨论了热致双折射对激光器性能的影响。
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