重復頻率等離子體電光開關熱問題及其控制.pdf

1、高平均功率固體激光器在微機械加工、材料加工、激光雷達、信標激光、強激光定向能系統的主激光、未來慣性約束聚變能等方面有著廣闊的應用前景。為獲得高功率的重復頻率激光脈沖，在平均功率激光器中，通常采用重復頻率普克爾盒進行調Q和隔離。由于對激光的線性吸收，開關晶體中將產生熱沉積。雖然電光晶體對激光的吸收系數較小，但由于其雙折射光學特性，它對熱退偏非常敏感，導致電光開關成為高平均功率激光器的限制部件之一。等離子體電極普克爾盒光開關，可以縱向使用，

2、同時可采用薄晶體，定標到大口徑，從而減少了由于開關晶體光吸收引起的熱問題，因此，將成為中等口徑至大口徑（數十毫米至數百毫米）平均功率光開關的理想選擇。但熱問題的分析與控制仍是研制重頻應用下等離子體電光開關的前提。
　　本文建立了研究重復頻率等離子體電光開關熱效應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開關在平均功率輻照下的熱問題，對存在的熱效應進行了控制與管

3、理。
　　熱問題的研究包括以下三方面內容:首先研究了開關晶體中溫度場應變場的影響因素。結果表明:為減小電光晶體中溫升、溫度梯度、應變，電光晶體的吸收系數應盡可能小，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、溫度致電光系數變化、應力雙折射導致的等離子體電光開關退偏損耗規(guī)律。研究結果顯示，光開關在靜態(tài)下引起退偏損耗的主要因素為應力雙折射，而在動態(tài)下除應力雙折射電光

4、系數隨溫度變化也將導致嚴重的退偏損耗。當入射激光波長為λ=1.064μm、功率為1000W時，靜態(tài)下最大退偏損耗為12.82％，平均退偏損耗為3.70％。當電光開關工作在動態(tài)時（施加半波電壓），電光系數隨溫度變化導致的最大退偏損耗為2.74％，全口徑內平均退偏損耗為1.69％。最后分析了等離子體電光開關在重復頻率應用下對入射激光波前的擾動和調制。分析結果顯示，導致入射激光波前畸變的主要因素是電光晶體的熱形變。當入射激光波長為λ=1.06

5、4μm、功率為1000W時，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容:第一，通過增強放電腔中流體對電光晶體對流換熱強度來控制開關晶體中熱沉積和熱梯度，從而達到管理熱效應的效果。當放電腔內流體抽速為6L/min、工作氣壓為5×104Pa、進氣管徑為6mm、進氣管道為3個、抽氣管徑為8mm、抽氣管道為2個時，放電腔內流體對電光晶體的平均對流換熱系數為8.02W/m2·K，較傳統情況下的1.01 W/m

6、2·K提高了8倍左右，有效地降低了電光晶體內熱沉積，從而減小了熱效應帶來的不利。第二，針對限制等離子體電光開關在重復頻率下應用的主要熱問題-熱致應力雙折射，提出了縱向應用下重頻等離子體電光開關熱致應力雙折射補償方案。應力雙折射補償方案在理論上可以完全補償應力雙折射導致的退偏損耗，但波前畸變仍不能得到完全補償。
　　最后實驗上測量了光開關在靜態(tài)下熱退偏損耗以及電光晶體內溫度分布，并與數值模擬結果進行了比較，兩者符合的較好。從而說明文