液冷薄片激光器及其热管理技术研究

高平均功率、高光束质量的固体激光器是当前激光技术领域的研究热点之一。然而由于泵浦光源和冷却介质的共同作用,直接导致固体激光介质内部产生温度梯度分布,进而产生热透镜、应力双折射等热效应问题,严重制约了高平均功率、高光束质量固体激光器的发展。为了解决固体激光器的热效应问题,本文设计了一种液冷薄片激光器并重点对其热管理技术进行了研究,为减小输出光斑的偏移和提高激光输出的均匀性,两薄片激光介质呈对称的“八”字形布儒斯特角放置在被冷却液充满的谐振腔中,利用液体的流动性加快固体激光介质中无用热地导出,避免废热累积,从而实现高效的热管理。本文首先论述了高功率固体激光器的研究背景及意义,介绍了国内外的发展现状以及最新的研究报道;详细介绍了固体激光器、液体激光器在热管理中的优势和不足,并对新型液体激光器进行了重点介绍;简单介绍了固体激光介质Nd:YAG的四能级结构;详细阐述了计算流体动力学的求解步骤,并介绍了控制方程和三种数值模拟计算方法,进行了三维物理建模和网格划分,获得了高质量的网格输出;根据流体动力学原理建立了液冷薄片激光器增益区的热-流-固耦合模型,并对其进行了仿真分析,研究了增益区温度场及速度场的分布情况,根据增益区的温度场分布,计算了液冷条件下增益区的光程差分布。增益区总光程差的峰谷值为1.09λ,分布较为均匀,热致波前畸变对光束质量影响较小。实验过程中,测定了冷却液的色散曲线及温度折射率系数;设计了布儒斯特角放置的液冷薄片激光器构型,采用LDA侧面泵浦并获得了1064nm波长的激光输出;对该构型激光器的耦合效率、斜率效率以及输出激光的光谱特性进行了测试。当泵浦能量为2.93J时,获得了615mJ的激光输出,斜率效率23%,光光转换效率21%。在10Hz重复泵浦频率下,不稳定度为1.27%,说明该构型激光器有良好的热管理性能。本文对液冷薄片激光器的激光输出能力和热管理能力进行了研究,为发展高功率、高光束质量固体激光器提供了思路。