4固体激光工作物质的热效应-中国工控网-中国自动化企业

光电子技术精品课程光电子技术(2)(激光器件)4固体激光工作物质的热效应24.固体激光工作物质的热效应4.1连续激光器的热效应4.2单次和重复率脉冲激光器的热效应4.3热效应的消除和补偿3热效应涉及的现象和理论现象温度猝灭热应力热致双折射热透镜理论热弹理论弹光理论虎克定律热传导理论44.1连续激光器的热效应4.1.1热平衡下棒内温度分布4.1.2激光棒的热应力4.1.3激光棒的热应力双折射4.1.4激光棒的热透镜效应54.1.1热平衡下棒内温度分布在热平衡状态下，忽略冷却介质沿轴向的微小温度变化认为热流主要沿棒的径向传导热传导方程：2210dTdTQdrrdrKT温度，Q单位体积内发热功率，r棒横截面内任一半径大小，K热导率。rr06热传导方程的解热传导方程为一欧拉方程，取r=et，即可转为常微分方程，最终得到方程解为：2200()()()(4.11)4QTrTrrrK棒表面的温度7热传导方程的解棒中心的温度：200(0)()(4.12)4QTTrrK（4.1-1)式变为：2()(0)(4.13)4QTrTrK抛物线型8单位体积内发热功率Q2200dinPηPQπrlπrl整根棒的热耗散功率泵浦源的输入功率热耗散功率系数激光棒长度9热耗散功率与冷却水的热平衡方程0[()](4.14)dFPFhTrT棒的表面积热传递系数棒表面与冷却介质的温差02Fπrl10热传递系数11棒表面与中心的温度0()()11(0)()4inFFinηPTrTFhTTηPFhπKl200(0)()44inηPQTTrrKπKl中心与表面温差：12温度分布13习题7一台连续YAG激光器，激光棒尺寸为Φ5×50mm2，冷却水温度TF＝20℃，激光棒的热耗散功率Pd＝600W，YAG的热导率K＝0.11Wcm-1℃-1，冷却水与激光棒之间的热传递系数h＝3Wcm-2℃-1。求：T(0)，T(r0)144.1.2激光棒的热应力σ力面积ΔlεlΔΔlαlTσEεμ横向应变纵向应变应力：应变：虎克定律：泊松比：热膨胀线膨胀系数杨氏模量0.25μ各向同性物质15各向同性物质的热应力假设具有自由端的各向同性的激光棒，无其它外来作用时，依据前述温度分布和热弹理论的结论，应力可用下式表示：00220002200020011[()()]111[()()()]12[()()]1rrrrrφrzαEσTrrdrTrrdrμrrαEσTrrdrTrrdrTrμrrαEσTrrdrTrμr径向：切向：轴向：16各向同性物质的热应力220220220()(3)2(2)16(1)rφzσQSrrσQSrrσQSrrαESKμ17最大应力2max0002020(0)()()2216(1)8(1)rφzddσσσrσrQSrPαErπrlKμPαEπKμlNd:YAG的抗张强度为1800～2100Kg/cm2，对应的单位长度的热耗散功率约为150W/cm。最大应力出现在棒表面和棒中心：18热冲击波参量8dPπRlmax(1)KμRσαE材料：玻璃CSGGYAGAl2O3R(W/cm)16.57.9100热冲击波参量194.1.3激光棒的热应力双折射ΔdijPTσεBnn热耗散功率应力应变光率体折射率双折射热弹理论温度分布虎克定律光弹效应20光率体kl1n2n1D2D1ijijBXX22211223322222212311BXBYBZXYZnnn主轴化：21弹光效应ijijklklBPε弹光系数，对于YAG具有3各独立分量22[001]方向Nd：YAG的热致双折射322001032200101()21()2XXYYαQnnnqrCrKαQnnnqrCrKXYXYφθ(2)3.23(2)tgθtgφ1320ΔBαQnnCrK2311112122221112111244222211121112442222111244(31)(53)16(1)2[(13)(35)(1)()cos24sin216(1)2[(13)(35)(1)()cos24sin216(1)(1)()cos24sin216(1XYBμPμPqμμPμPμPPφPφCμμPμPμPPφPφCμμPPφPφC111244)0.0290.00910.0615μPPP[001]方向Nd：YAG的热致双折射24[001]方向Nd：YAG的热致双折射25[111]方向Nd：YAG的热致双折射322002032200201()21()2rrφφαQnnnqrCrKαQnnnqrCrK2320ΔBαQnnCrKXYφθφnrnθφ26[111]方向Nd：YAG的热致双折射2111244211124411121112444(21)8(21)2(1)48(1)(177)(3117)8(1)48(1)(106)2(115)32(1)1(4)48(1)rφBμPμPμPqμμPμPμPCμμPμPCμμCPPPμ27[111]方向Nd：YAG的热致双折射2607.510/0.14/0.251.820.0170.00250.0099rφBαCKWcmCμnCCC62ΔΔΔ(3.210)rφnnnQrW/cm3cm28[111]方向Nd：YAG的热致双折射XY2320ΔBαQnnCrK29退偏效应0II传输常数：ψXYX1P02[001][111]0.610.27sin(2)sin()344TdTdITITψCPTCP2302TBCnαCλK304.1.4激光棒的热透镜效应()(0)Δ()Δ()Tεnrnnrnr温度差引起的折射率变化热应力引起的折射率变化31温度引起的折射率变化2Δ()[()(0)]4TdnQdnnrTrTrdTKdTNd：YAG的折射率温度系数7.3×10-6℃-132热应力引起的折射率变化3203201Δ()2Δ()1Δ()2rrεφφαQnrnCrKnrαQnrnCrK32,0,1Δ()Δ()2εrφrφαQnrnrnCrK33热透镜效应2320,221()(0)42(0)[1]2(0)rφQdnαQnrnrnCrKdTKnnrn320,1()2rφQdnnnαCKdT热透镜效应系数：热焦距：'320,11()2TrφKfdnnlQlnαCdT34端面效应R0l0Δ()lr0r200Δ()[()(0)]4QrlrαlTrTαrK00lr对于Nd：YAG22200[Δ()]RrRlr200022Δ()rKRlrαrQ''0002(1)(1)TRKfnαrQn02lhn主平面：35热效应的总焦距'''3000,203000,111(1)12(1)12TTTTrφinrφfffKQlfαrndnnαCdTlKπrηPαrndnnαCdTl364.2单次和重复率脉冲激光器的热效应ΔQTCρV4.2.1单次脉冲激光器的热效应37单次脉冲泵浦时棒内温度的分布38温度分布与半径和时间的关系曲线使用15cm长螺旋氙灯，注入11500焦耳，泵浦直径1cm，长7.5cm的钕玻璃棒394.2.2重复频率脉冲激光器40热累积414.3热效应的消除和补偿4.3.1冷却与滤光4.3.2光学补偿4.3.3非圆柱工作物质424.3.1冷却与滤光一、冷却液体冷却气体冷却传导冷却二、滤光滤光液滤光玻璃43一、冷却—液体冷却44液体冷却45气体冷却46传导冷却47二、滤光全腔水冷分别水冷滤光玻璃：掺铈（Ce）、钐（Sm）石英玻璃，硒镉玻璃滤光液：0.3~1%重铬酸钾，1%~2%亚硝酸钠484.3.2光学补偿1、热透镜效应的补偿修磨端面热不灵敏腔2、热应力双折射补偿旋光•90度石英旋光片•波片,Porro棱镜494.3.3非圆柱工作物质1、板条激光器2、管状激光器3、片状激光放大器503、片状激光放大器513、片状激光放大器