高平均功率无机液体激光器的流动热管理研究

掺杂稀土离子的无机液体激光器,具有增益介质制备容易,运行成本低廉,系统结构紧凑等优点,并且因激光介质流动性带来的热管理优势,使其成为发展高能激光器的研究热点,而随着输出功率的不断提高,液体介质的热效应成为制约大功率条件下输出高光束质量激光的主要因素。 采用有效的热管理方法是消除激光介质热效应的主要手段,无机液体的流动循环可以实现对增益区被加热激光介质的快速更换,其冷却效率远高于表面冷却方式和固体热容方式,是一种高效的热管理方法。本文首先回顾了无机液体激光器的发展过程,阐述了消除液体介质热效应的方法和采用流动热管理的重要性;其次讨论了实现100kW级功率输出的激光器结构,主要分析了实现增益区稳定流动的结构设计要求,对泵浦方式和增益区注入段结构进行了设计,并且利用流体分析软件对流场作了模拟计算,验证了设计结构对实现增益区稳定流动的作用;最后计算了增益区内的温度场分布,通过流动液体的能量方程分析了影响温度场的主要原因,对流动热管理抑制液体介质热效应所起的作应和存在的问题作了讨论。 通过论文的研究工作表明,流动热管理可以有效消除重频工作中激光介质热效应的积累,使介质温升控制在一定范围,有利于激光器的长时间高重频工作,但是在实现高功率输出的长脉冲重频工作方式下,流动热管理无法消除脉冲时间内的热量沉积,无机液体激光器的光束质量没有得到优化。