液体激光器流动热管理的研究及应用

激光介质热效应是制约高平均功率激光器发展的主要瓶颈。借助于高能固体热容激光器多个盘片快速更迭技术的思想,液体的可流动性为解决高能激光器热效应问题提供了一个新的思路,使得高能液体激光器在高能激光技术领域研究中逐渐引起重视。通常认为,液体的流动可以带走增益区内的热量,避免废热的累积,有助于减少热效应对光束质量的影响。但在抽运时间范围内增益区的热效应对光束质量的影响是一个待解决的问题。在确立高能液体激光器理论模型的基础上,本文应用流体力学原理及能量方程方法对液体循环结构设计、流动热管理及其在高能液体激光器应用的可行性进行了研究和探讨;分析了中低功率条件下,流动热管理的成功应用;并基于半经典理论短脉冲抽运宽谱染料激光器的模式竞争效应进行了理论和实验研究。 由于静态液体激光介质中在强抽运条件下存在强烈的热效应,因此高能液体激光器对液体激光介质提出了均匀高速的流动需求。在液体的循环结构设计中,收缩段的设计是至关重要的,决定了增益区内液体的流动状态及对激光波前的影响。通过FLUENT软件K ?ε模型的数值模拟,采用光滑的离轴维氏曲线面型和双三次方曲线面型的收缩段设计达到了在对液体进行加速的同时,避免边界层分离的目的,取得了较好的流动品质。但在流动方向,随着距离的增加,边界层发展较快,可以通过增加入口流速的方法降低边界层的厚度。实验研究了不同流速下,Rh6G的乙醇溶液流动对氦氖信标光波前的影响。三种流速下波前畸变的Strehl Ratio( SR )值均大于0.99,流动对激光光束质量影响非常微弱,确立了抽运引起的热效应是影响激光光束质量的主要因素。 本文基于流体的能量方程推导了液体流动介质的温度场方程,对脉冲和连续波模式下流动热管理模型及介质的热效应进行研究。结果表明:在长脉冲工作模式下,流动热管理虽然可以消除重频脉冲之间的热效应的累积作用,但是对消除每个脉冲的热沉积起不到明显作用,此时的温升和光程差对光束质量的影响与静止状态单脉冲工作的液体激光器几乎相同。 在相同功率输出的条件下连续波工作模式由于抽运光功率密度的下降及出光时间的增加,对介质温升和光学长度沿流动方向沿介质流动方向不会出现脉冲模式下的突变,整体温升也小于脉冲模式,其光束质量得到了提升。抽运光功率密度起伏是引起相位畸变的主要因素。对于高斯型非均匀抽运,流速一定条件下,随着光束均匀性的下降,其SR值下降明显。当抽运条件相同时,连续波模式下的光束质量优于脉冲模式下的光束质量。激光器的生热效率η和液体流速u y对光束波前具有一定的影响,降低激光器的生热效率、提高液体流速都可在一定程度上提高激光的相位均匀性。利用波前曲率传感原理和Green函数波前恢复算法实验研究了小尺寸,低抽运功率时液体介质热效应对激光光束质量的影响。在低流速下液体流动热管理对光束质量的改善效果并不明显,随着抽运功率的提高,介质热效应明显。随着流速的提高,信标光的波前相位均匀性得到了改善,但是由于抽运不均匀性的影响,无法完全消除热效应对信标光波前的影响。 在上述研究的基础上,对流动热管理在高能液体激光器中应用的可行性进行了研究。由于受到输出功率要求的限制,很难通过减少流动方向尺寸达到减少增益区热量的目的,同时较大介质尺寸对抽运均匀性的要求更高;提高液体流速会影响液体的气溶性而引起气穴现象的产生,降低激光器效率。为了防止气穴现象,液体循环系统对总压有着很高的要求。因此在目前工程技术条件下很难通过单一的流动热管理消除介质热效应的影响。在寻找到更好热光性能的液体介质或提高抽运均匀性之前,100kW级的高光束质量液体激光器难以实现。 在中低功率条件下,流动热管理可以得到很好的应用。本文基于宽谱染料激光器的光强模式耦合方程给出了分析宽谱染料激光器增益竞争的分析方法。提出了短脉冲抽运条件下,宽谱激光器模式竞争非常激烈,不能用稳态方程对模式竞争进行分析,需采用数值解法对竞争过程进行研究。采用数值方法模拟了双谱线调谐的模式竞争效应,通过调节其中一支的腔损耗,可以达到双波长功率近似相等输出,并且调谐范围得到加宽。其结果与已有的实验结果进行了定性对比,符合较好。通过数值模拟和实验方法讨论了宽谱共增益区的谱线竞争效应,两者之间的结果基本吻合。总结了宽谱染料激光的光谱特征。