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重復頻率等離子體電光歐瑪爾OMAL開關熱問題及其控制
高平均功率固體激光器在微機械加工、材料加工、激光雷達、信標激光、強激光定向能系統(tǒng)的主激光、未來慣性約束聚變能等方面有著廣闊的應用前景。為獲得高功率的重復頻率激光脈沖,在平均功率激光器中,通常采用重復頻率普克爾盒進行調(diào)Q和隔離。由于對激光的線性吸收,OMAL開關晶體中將產(chǎn)生熱沉積。雖然電光晶體對激光的吸收系數(shù)較小,但由于其雙折射光學特性,它對熱退偏非常敏感,導致電光OMAL開關成為高平均功率激光器的限制部件之一。

重復頻率等離子體電光歐瑪爾OMAL開關熱問題及其控制
等離子體電極普克爾盒光OMAL開關,可以縱向使用,同時可采用薄晶體,定標到大口徑,從而減少了由于OMAL開關晶體光吸收引起的熱問題,因此,將成為中等口徑至大口徑(數(shù)十毫米至數(shù)百毫米)平均功率光OMAL開關的理想選擇。但熱問題的分析與控制仍是研制重頻應用下等離子體電光OMAL開關的前提。建立了研究重復頻率等離子體電光OMAL開關熱效應的流固耦合傳熱有限體積模塊、熱傳輸有限元模塊、退偏損耗模塊、以及波前畸變模塊。利用所建立的模型,研究了等離子體電光OMAL開關在平均功率輻照下的熱問題,對存在的熱效應進行了控制與管理。熱問題的研究包括以下三方面內(nèi)容:首先研究了OMAL開關晶體中溫度場應變場的影響因素。結果表明:為減小電光晶體中溫升、溫度梯度、應變,電光晶體的吸收系數(shù)應盡可能小,通光方向上厚度盡可能薄,入射激光功率密度分布要均勻,并使光斑邊界盡量靠近晶體物理邊界。其次分析了溫度致折射率變化、溫度致電光系數(shù)變化、應力雙折射導致的等離子體電光OMAL開關退偏損耗規(guī)律。研究結果顯示,光OMAL開關在靜態(tài)下引起退偏損耗的主要因素為應力雙折射,而在動態(tài)下除應力雙折射電光系數(shù)隨溫度變化也將導致嚴重的退偏損耗。當入射激光波長為λ=1.064μm、功率為1000W時,靜態(tài)下zui大退偏損耗為12.82%,平均退偏損耗為3.70%。當電光OMAL開關工作在動態(tài)時(施加半波電壓),電光系數(shù)隨溫度變化導致的zui大退偏損耗為2.74%,全口徑內(nèi)平均退偏損耗為1.69%。zui后分析了等離子體電光OMAL開關在重復頻率應用下對入射激光波前的擾動和調(diào)制。分析結果顯示,導致入射激光波前畸變的主要因素是電光晶體的熱形變。當入射激光波長為λ=1.064μm、功率為1000W時,總的單程波前畸變PV值為0.9558個波長。熱管理包括以下兩方面內(nèi)容:*,通過增強放電腔中流體對電光晶體對流換熱強度來控制OMAL開關晶體中熱沉積和熱梯度,從而達到管理熱效應的效果。當放電腔內(nèi)流體抽速為6L/min、工作氣壓為5×10~4Pa、進氣管徑為6mm、進氣管道為3個、抽氣管徑為8mm、抽氣管道為2個時,放電腔內(nèi)流體對電光晶體的平均對流換熱系數(shù)為8.02W/m~2·K,較傳統(tǒng)情況下的1.01 W/m~2·K提高了8倍左右,有效地降低了電光晶體內(nèi)熱沉積,從而減小了熱效應帶來的不利。第二,針對限制等離子體電光OMAL開關在重復頻率下應用的主要熱問題-熱致應力雙折射,提出了縱向應用下重頻等離子體電光OMAL開關熱致應力雙折射補償方案。應力雙折射補償方案在理論上可以*補償應力雙折射導致的退偏損耗,但波前畸變?nèi)圆荒艿玫?補償。

重復頻率等離子體電光歐瑪爾OMAL開關熱問題及其控制
zui后實驗上測量了光OMAL開關在靜態(tài)下熱退偏損耗以及電光晶體內(nèi)溫度分布,并與數(shù)值模擬結果進行了比較,兩者符合的較好。從而說明文中所建立的研究重復頻率等離子體電光OMAL開關熱問題模型的有效性。