《LD泵浦的棒状和薄片状激光介质热效应研究（学位论文-工学）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LD泵浦的棒状和薄片状激光介质热效应研究（学位论文-工学）（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、国 内 图 书 分 类 号 ： TN248.1 学 校 代 码 ： 10213国 际 图 书 分 类 号 : 535-15 密 级 ： 公 开工 学 硕 士 学 位 论 文LD 泵 浦 的 棒 状 和 薄 片 状 激 光 介 质 热 效 应 研 究硕 士 研 究 生： 董 粉 丽导 师 ： 吕 志 伟 教 授申 请 学 位： 工 学 硕 士学 科 、 专 业 ： 物 理 电 子 学所 在 单 位 ： 光 电 子 信 息 科 学 与 技 术 系答 辩 日 期： 2009 年 6 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index： TN248.1U.D.C.
2、: 535-15Dissertation for the Master Degree in EngineeringTHE RESEARCH ON THERMAL EFFECT OFLD PUMPED ROD AND THIN-DISK LASERCRYSTALCandidate： Dong FenliSupervisor： Prof. Lu ZhiweiAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpecialty： Physical ElectronicsAffiliation： Department of Opto-electroni
3、csInformation Science and TechnologyDate of Defence： June, 2009Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文摘 要固 体 激 光 器 泵 浦 过 程 中 ， 由 于 晶 体 吸 收 的 泵 浦 光 有 相 当 一 部 分 转 换 为 热 能 存储 在 晶 体 内 部 ， 再 加 之 外 部 的 冷 却 ， 使 得 晶 体 内 温 度 分 布 不 均 匀 ， 由 此 引 起 热 效应 。 当 高 功
4、率 运 转 时 ， 晶 体 的 温 度 和 应 力 场 分 布 以 及 热 效 应 成 为 激 光 系 统 设 计 、优 化 时 首 要 考 虑 的 因 素 之 一 。本 文 首 先 概 述 了 LD 泵 浦 固 体 激 光 系 统 的 发 展 现 状 ， 阐 明 了 LD 泵 浦 固 体 激 光介 质 的 产 热 原 因 及 常 用 的 热 管 理 方 法 ， 特 别 是 对 近 年 来 出 现 的 新 型 冷 却 技 术 进 行了 介 绍 。 为 了 更 好 的 研 究 激 光 介 质 热 效 应 ， 于 是 对 其 温 度 和 应 力 场 进 行 理 论 分析 ， 并 给 出 了 数 学
5、 模 型 。利 用 有 限 元 分 析 法 ， 结 合 具 体 物 理 构 型 、 激 光 晶 体 和 LD 泵 浦 源 的 各 个 参 数 ，较 为 准 确 的 建 立 了 棒 状 激 光 晶 体 热 分 析 的 有 限 元 模 型 ， 计 算 了 晶 体 在 不 同 冷 却 方式 ， 不 同 边 界 条 件 下 的 温 度 场 和 热 应 力 场 的 分 布 ， 尤 其 是 对 近 年 来 提 出 的 金 刚 石端 面 冷 却 结 构 进 行 重 点 研 究 。 结 果 表 明 ， 端 面 泵 浦 结 构 下 ， 由 于 最 高 温 度 主 要 集中 在 泵 浦 端 面 中 心 附 近 ，
6、 为 有 效 的 减 少 热 效 应 ， 应 该 采 取 端 面 直 接 冷 却 方 案 ； 此外 ， 靠 降 低 冷 却 介 质 温 度 和 提 高 边 界 对 流 换 热 系 数 仅 能 降 低 晶 体 整 体 温 度 ， 而 不能 有 效 的 减 小 温 度 梯 度 和 改 善 温 度 场 的 分 布 ， 且 对 流 换 热 系 数 达 到 最 大 值 后 继 续强 化 外 部 换 热 将 无 济 于 事 。 而 金 刚 石 高 的 热 导 率 保 证 了 激 光 介 质 内 的 废 热 能 够 及时 通 过 热 导 介 质 传 导 到 周 围 环 境 中 ， 模 拟 结 果 也 表 明
7、 ： 金 刚 石 端 面 冷 却 结 构 大 大减 小 了 晶 体 的 整 体 温 度 和 温 度 场 分 布 ， 成 为 冷 却 结 构 的 重 要 选 择 之 一 。从 热 分 析 角 度 出 发 ， 对 薄 片 激 光 器 的 部 分 参 数 进 行 优 化 设 计 ， 其 中 包 括 激 光介 质 尺 寸 、 输 出 耦 合 镜 透 过 率 和 激 光 器 腔 长 等 。 在 以 上 优 化 设 计 的 基 础 上 着 重 研究 了 薄 片 激 光 器 各 个 重 要 参 数 对 其 热 效 应 的 影 响 ， 计 算 结 果 显 示 级 次 为 10 的超高斯 泵 浦 光 ， 较 大
8、 的 泵 浦 光 斑 填 充 因 子 和 仅 泵 浦 区 域 水 冷 的 冷 却 结 构 将 得 到 更 为 均匀 的 温 度 场 分 布 ， 从 而 减 小 热 效 应 ； 与 方 形 泵 浦 光 斑 相 比 ， 圆 形 光 斑 能 承 受 更 大的 热 应 力 ， 并 且 应 力 呈 对 称 分 布 ， 避 免 了 应 力 集 中 而 且 更 易 于 补 偿 。 以 上 结 果 为实 际 的 薄 片 激 光 器 设 计 提 供 了 重 要 参 考 依 据 。关键词 固 体 激 光 器 ； 热 效 应 ； 有 限 元 ； 冷 却 结 构 ； 薄 片 激 光 器-I-哈 尔 滨 工 业 大 学
9、 工 学 硕 士 学 位 论 文AbstractIn the pumping process, thermal effect is due to inhomogeneous heating of the lasermaterial induced by inside heat deposition and outside cooling. In order to get highoutput power, the distribution of heat field and the solution for thermal effect become oneof the important c
10、onsideration in this field.This paper firstly summarizes the development of LD pumped solid state lasers,then demonstrates of the source of thermogenesis and the way of thermal management,especially introduces the new cooling technology. For better analysis for thermal effects,the mathematical model
11、 of the laser crystal is deduced.On the basis of theory analysis, we establish the finite-element model of rod lasercrystal by considering actual structure, crystal category, the parameter of pump sourceand cooling configuration. The distribution of thermal and stress field for differentcooling sche
12、me and boundary condition are simulated by using ANSYS software. Thethermal effect distribution of diamond cooling which rises recently is stressed here. Theresults prove that in the end-pumped configuration the maximal temperature focus on thecenter of the pumped face, so we have to adopt the schem
13、e of cooling the pumped facedirectly to weaken thermal effects. Decreasing the cooling medium temperature andincreasing the heat transfer coefficient can only decrease the whole temperature of thecrystal, but can not diminish temperature difference and improve the distribution of thethermal field. W
14、hile due to diamond large heat conductivity, diamond cooling candecrease both the whole temperature and temperature difference, the distribution ofthermal field is also improved.In this part, we focus on the thin disk laser. Firstly, several important parameters ofthin disk laser are optimal designe
15、d, including gain mediums dimension, output mirrortransmission and the length of resonant chamber and so on. Then we simulated thethermal effects of different parameter on the basis of optimal design. The conclusion areas follow: the 10 order super-Gaussian pump beam is a prefer. Big pump spot and t
16、heconfiguration of only cooling the pumped area are helpful to get much homogeneousthermal field distribution. Compared with square pump spot, circle pump spot can enduremore thermal stress. Besides, the distribution of the thermal stress is symmetrical whichcan avoid stress concentration and can be much easier to compensate. All the result offerthe important reference for thin disk laser design.Keywords solid-state laser; thermal effect; finite-element;
