薄膜电极重频电光开关的热管理研究

高平均功率激光器能够加强光与物质之间的相互作用,在高能高密度物理、粒子加速和聚变能源等领域有着广阔的应用前景。世界各国对于聚变能源的重视让高功率重频激光技术得到迅速发展,如美国的Mercury装置,德国Polaris装置,法国Lucia装置和中国神光装置。这些激光驱动装置都有着大口径、高功率、重频运转、多程放大的特点。普克尔盒电光开关是重频激光装置中的关键单元,其作为级间隔离器件抑制了自激振荡,同时控制多程放大的程数,提高能量的提取效率。与等离子体电极电光开关相比,透明导电膜电极电光开关同样可以定标到大口径,而大幅度降低了均匀电极的获得难度,可用于激光系统中较低峰值功率位置实现光束多程控制或级间隔离功能。重频运转下,开关晶体会对光脉冲产生线性吸收而导致热沉积,晶体内的热沉积使晶体产生温升。DKDP晶体具有双折射特性,其对温度极其敏感。高功率重频运转意味着普克尔盒需要高效的热管理,因此薄膜电极重频电光开关的热管理研究具有重要的科学意义。本文针对薄膜电极普克尔盒,分别提出传导冷却和流体冷却的热管理方案,在低光通量的运转条件下,在普克尔盒的结构设计中可以使用透明导电薄膜作为开关电极,同时采用薄晶体定标到大口径。本文对薄膜电极普克尔盒,分别提出传导冷却和流体冷却的热管理方案,并对开关晶体中的热效应进行模拟分析。本文主要研究的内容有两个方面：一、流体冷却式热管理方案的研究,通过建立了流固耦合有限元模型来分析流体冷却式重频普克尔盒的换热特点。对流体流动的状态进行模拟分析,然后讨论影响换热系数的相关因素,以及晶体内热沉积的影响因素,得到普克尔盒的相关结构参数。并在优化的热管理前提下,模拟开关重频应用时(0.4J/cm2@16Hz)开关晶体内产生的热效应。模拟得到：开关晶体中的最大温升为1.67 K,最大应力为1.87 MPa,出现在光斑边界处,应力双折射致退偏损耗的最大值出现在光斑边界处,为0.38%,总波前畸变为0.239λ。二、传导冷却式热管理方案的研究。提出薄膜电极的普克尔盒结构,其采用宝石传导换热的热管理方式。首先通过理论分析得到相关的结构设计参数,然后实验分析传导换热的特点,并验证理论分析。在110W平均功率辐照下测量开关晶体和宝石的温升、开关全口径上的退偏和波前畸变的分布。同时将实验测量结果与数值模拟结果相比较,验证所写程序的有效性。最后,提出热效应管理优化的方法：边界主动加热补偿法。边界主动加热补偿是通过改善横截面上温度梯度分布的均匀度来降低退偏损耗和波前畸变,能够有效地提高重频普克尔盒的热管理效率。