激光二极管泵浦的Nd：YAG陶瓷激光器热效应研究

论文摘要

自上个世纪60年代激光器被研制以来,近红外波段的激光广泛应用于工业、军事、医学等各个领域也融入到我们的日常生活当中。激光二极管（LD）泵浦的全固态激光器（DPSSL）由于其稳定性好、结构紧凑、转换效率高、寿命长、输出光束质量高等诸多优势为高功率的激光器发展创造了得天独厚的优势。随着激光透明陶瓷制备技术的突破性进步,使其成为一种全新的激光工作物质。为全固态激光器向更高功率方向的发展提供了新思路。Nd3+离子的能级结构与YAG基质的特性决定了Nd:YAG陶瓷可承受更高功率的辐射,是高功率、高效率固态激光器工作物质的理想选择。然而,在激光与冷却系统同时对陶瓷的作用过程中免不了材料内部形成温度梯度分布,工作物质受热膨胀,引起热形变,进而产生热透镜等热效应。会严重影响激光器的质量。因此,对热效应的深入研究是非常必要的。本论文的最主要内容为:1.针对激光二极管泵浦的Nd:YAG陶瓷激光器从工作原理、内部结构、泵浦方式、运转方式以及产生热效应的机理等方面进行介绍。2.在LD端面泵浦的运作方式下,对于长方体Nd:YAG陶瓷,基于热传导理论建立直角坐标系下的热模型,采用解析法求解了连续与脉冲泵浦条件下的热传导方程,分别得到了对应的稳态与瞬态的温度场解析表达式。利用Mathematica软件对温度场与热形变量计算结果进行数值模拟。并分析了泵浦光的超高斯阶次、功率、束腰半径、脉冲宽度等参数的不同选取对温度场分布的影响,当超高斯阶次增大、泵浦光功率减小、束腰半径增大、脉冲宽度增大时,温度场的值减小。并单独对长方体Nd:YAG陶瓷进行端面绝热与端面有空气对流换热的两种热力学模型温度场的计算结果进行分析。结果表明非制冷面与空气发生热对流而产生的热量可以忽略不计。3.对于圆棒Nd:YAG陶瓷,建立柱坐标系的热模型。结合两端绝热,周边恒温的边界条件,求解了连续与脉冲两种不同泵浦运转方式下的稳态温度场与瞬态温度场。基于Mathematica软件对温度场与热形变场进行可视化分析。研究了不同参量对温度场的影响。研究发现,采用解析法求解热传导方程计算出的温度场与使用有限差分法、有限元法等数值计算出的温度场大致相等。证明了本文研究方案的准确性。且在计算量上更小,更贴合实际。研究结果对激光器实际应用中参数的合理选取和设计提供理论参考,对激光器承载热负荷的能力及各种性能的提高有着重要指导意义。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1.绪论
•   1.1 激光二极管泵浦的全固态激光器
•     1.1.1 激光器的工作原理
•     1.1.2 激光二极管泵浦的全固态激光器的结构
•   1.2 激光工作物质概述
•     1.2.1 Nd:YAG透明陶瓷作为激光工作物质的可能性
•     1.2.2 陶瓷激光器研究现状
•   1.3 泵浦方式
•     1.3.1 端面泵浦
•     1.3.2 侧面泵浦
•   1.4 运转方式
•     1.4.1 连续激光器
•     1.4.2 单次脉冲激光器
•     1.4.3 重复脉冲激光器
•   1.5 热效应及冷却方式
•     1.5.1 热效应的产生机理
•     1.5.2 热效应的改善方式
•   1.6 论文的主要工作及创新点
• 2.激光二极管端面泵浦Nd:YAG陶瓷热效应的基本理论
•   2.1 传热学基本理论
•   2.2 热传导方程
•     2.2.1 热传导方程的一般形式
•     2.2.2 热传导方程的初始条件及边界条件
•   2.3 激光二极管端面泵浦Nd:YAG陶瓷温度场模型假设
•     2.3.1 泵浦光源模型
•     2.3.2 计算传热模型的基本假设
•   2.4 本章小结
• 3.LD端泵长方体Nd:YAG陶瓷激光器热分析
•   3.1 连续LD端面泵浦的长方体Nd:YAG陶瓷激光器热分析
•     3.1.1 计算陶瓷端面上有热交换的温度场
•     3.1.2 计算陶瓷端面绝热的温度场
•     3.1.3 陶瓷端面有热交换的温度场特性分析
•     3.1.4 陶瓷端面绝热的温度场特性分析
•     3.1.5 两种模型对比分析
•     3.1.6 不同因素对长方体Nd:YAG陶瓷温度场的影响
•   3.2 脉冲LD端面泵浦的长方体Nd:YAG陶瓷激光器热分析
•     3.2.1 单脉冲端泵的长方体Nd:YAG陶瓷温度场
•     3.2.2 重复脉冲端泵的长方体Nd:YAG陶瓷温度场
•     3.2.3 脉冲LD端泵的长方体Nd:YAG陶瓷温度场的特性分析
•     3.2.4 不同因素对长方体Nd:YAG陶瓷温度场的影响
•   3.3 本章小结
• 4.LD端泵圆棒Nd:YAG陶瓷激光器热分析
•   4.1 连续LD端面泵浦的圆棒Nd:YAG陶瓷激光器热分析
•     4.1.1 计算连续LD端泵的圆棒Nd:YAG陶瓷的温度场
•     4.1.2 LD连续端泵的圆棒Nd:YAG陶瓷温度场特性分析
•     4.1.3 不同因素对圆棒Nd:YAG陶瓷温度场的影响
•   4.2 脉冲LD端面泵浦的圆棒Nd:YAG陶瓷激光器的热分析
•     4.2.1 计算脉冲LD端泵的圆棒Nd:YAG陶瓷温度场
•     4.2.2 脉冲LD端泵的圆棒Nd:YAG陶瓷温度场特性分析
•     4.2.3 不同因素对圆棒Nd:YAG陶瓷温度场的影响
•   4.3 本章小结
• 5.LD端泵Nd:YAG陶瓷热形变场
•   5.1 LD端面泵浦Nd:YAG陶瓷热形变场模型的建立
•   5.2 计算LD端面泵浦的长方体Nd:YAG陶瓷热形变分析
•   5.3 计算LD端面泵浦的圆棒Nd:YAG陶瓷热形变分析
•   5.4 本章小结
• 6.总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 研究生学习阶段发表论文及获奖情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵萌

导师: 李隆

关键词: 激光器,陶瓷,连续激光,脉冲激光,温度场,热形变

来源: 西安建筑科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 西安建筑科技大学

分类号: TN248.1

DOI: 10.27393/d.cnki.gxazu.2019.001203

总页数: 81

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