固体激光工作物质的热效应.pptx

September 20041固体激光工作物质的热效应固体激光工作物质的热效应光电子技术光电子技术（激光器件部分）（激光器件部分）（激光器件部分）（激光器件部分）September 200424.4.固体激光工作物质的热效应固体激光工作物质的热效应固体激光工作物质的热效应固体激光工作物质的热效应4.1连续激光器的热效应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热效应的消除和补偿September 20043热效应涉及的现象和理论热效应涉及的现象和理论热效应涉及的现象和理论热效应涉及的现象和理论现象现象温度猝灭热应力热致双折射热透镜理论理论热弹理论弹光理论虎克定律热传导理论September 200444.1连续激光器的热效应连续激光器的热效应4.1.1热平衡下棒内温度分布热平衡下棒内温度分布4.1.2激光棒的热应力激光棒的热应力4.1.3激光棒的热应力双折射激光棒的热应力双折射4.1.4激光棒的热透镜效应激光棒的热透镜效应September 200454.1.1热平衡下棒内温度分布热平衡下棒内温度分布在热平衡状态下，在热平衡状态下，忽略冷却介质沿轴向的微小温度变化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认为热流主要沿棒的径向传导热传导方程：热传导方程：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。rr0September 20046热传导方程的解热传导方程的解热传导方程的解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：棒表面棒表面的温度的温度September 20047热传导方程的解热传导方程的解热传导方程的解热传导方程的解棒中心的温度：棒中心的温度：（4.1-1)式变为：式变为：抛物线型抛物线型September 20048单位体积内发热功率单位体积内发热功率单位体积内发热功率单位体积内发热功率QQ整根棒的热整根棒的热耗散功率耗散功率泵浦源的泵浦源的输入功率输入功率热耗散功热耗散功率系数率系数激光棒激光棒长度长度September 20049热耗散功率与冷却水的热平衡方程热耗散功率与冷却水的热平衡方程热耗散功率与冷却水的热平衡方程热耗散功率与冷却水的热平衡方程棒的表棒的表面积面积热传递热传递系数系数棒表面与冷却棒表面与冷却介质的温差介质的温差September 200410热传递系数热传递系数热传递系数热传递系数September 200411棒表面与中心的温度棒表面与中心的温度棒表面与中心的温度棒表面与中心的温度中心与表面温差：中心与表面温差：September 200412温度分布温度分布温度分布温度分布September 200413习题习题习题习题7 7一台连续YAG激光器，激光棒尺寸为550mm2，冷却水温度TF20，激光棒的热耗散功率Pd600W，YAG的热导率K0.11Wcm-1-1，冷却水与激光棒之间的热传递系数h3Wcm-2-1。求：T(0)，T(r0)September 2004144.1.2激光棒的热应力激光棒的热应力应力：应力：应变：应变：虎克定律：虎克定律：泊松比：泊松比：热膨胀线膨胀系数杨氏模量杨氏模量September 200415各向同性物质的热应力各向同性物质的热应力各向同性物质的热应力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，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：依据前述温度分布和热弹理论的结论，应力可用下式表示：径向：径向：切向：切向：轴向：轴向：September 200416各向同性物质的热应力各向同性物质的热应力各向同性物质的热应力各向同性物质的热应力September 200417最大应力最大应力最大应力最大应力Nd:YAG的抗张强度为的抗张强度为18002100Kg/cm2，对，对应的单位长度的热耗散功率约为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：最大应力出现在棒表面和棒中心：September 200418热冲击波参量热冲击波参量热冲击波参量热冲击波参量材料：材料：玻璃玻璃CSGGYAGAl2O3R(W/cm)16.57.9100热冲击热冲击波参量波参量September 2004194.1.3激光棒的热应力双折射激光棒的热应力双折射热热耗耗散散功功率率应应力力应应变变光光率率体体折折射射率率双双折折射射热弹理论热弹理论温温度度分分布布虎克定律虎克定律光弹效应光弹效应September 200420光率体光率体光率体光率体主轴化：主轴化：September 200421弹光效应弹光效应弹光效应弹光效应弹光系数，对于弹光系数，对于YAG具有具有3各独立分量各独立分量September 200422001001方向方向方向方向NdNd：YAGYAG的热致双折射的热致双折射的热致双折射的热致双折射XYSeptember 200423001001方向方向方向方向NdNd：YAGYAG的热致双折射的热致双折射的热致双折射的热致双折射September 200424001001方向方向方向方向NdNd：YAGYAG的热致双折射的热致双折射的热致双折射的热致双折射September 200425111111方向方向方向方向NdNd：YAGYAG的热致双折射的热致双折射的热致双折射的热致双折射XYSeptember 200426111111方向方向方向方向NdNd：YAGYAG的热致双折射的热致双折射的热致双折射的热致双折射September 200427111111方向方向方向方向NdNd：YAGYAG的热致双折射的热致双折射的热致双折射的热致双折射W/cm3cmSeptember 200428111111方向方向方向方向NdNd：YAGYAG的热致双折射的热致双折射的热致双折射的热致双折射XYSeptember 200429退偏效应退偏效应退偏效应退偏效应传输常数：传输常数：September 2004304.1.4激光棒的热透镜效应激光棒的热透镜效应温度差引起的温度差引起的折射率变化折射率变化热应力引起的热应力引起的折射率变化折射率变化September 200431温度引起的折射率变化温度引起的折射率变化温度引起的折射率变化温度引起的折射率变化Nd：YAG的折射率温度系数的折射率温度系数7.310-6-1September 200432热应力引起的折射率变化热应力引起的折射率变化热应力引起的折射率变化热应力引起的折射率变化September 200433热透镜效应热透镜效应热透镜效应热透镜效应热透镜效应系数：热透镜效应系数：热焦距：热焦距：September 200434端面效应端面效应端面效应端面效应对于对于Nd：YAG主平面：主平面：September 200435热效应的总焦距热效应的总焦距热效应的总焦距热效应的总焦距September 2004364.24.2单次和重复率脉冲激光器的热效应单次和重复率脉冲激光器的热效应单次和重复率脉冲激光器的热效应单次和重复率脉冲激光器的热效应4.2.14.2.1单次脉冲激光器的热效应单次脉冲激光器的热效应单次脉冲激光器的热效应单次脉冲激光器的热效应September 200437单次脉冲泵浦时棒内温度的分布单次脉冲泵浦时棒内温度的分布单次脉冲泵浦时棒内温度的分布单次脉冲泵浦时棒内温度的分布September 200438温度分布与半径和时间的关系曲线温度分布与半径和时间的关系曲线温度分布与半径和时间的关系曲线温度分布与半径和时间的关系曲线使用使用15cm长螺旋氙灯，长螺旋氙灯，注入注入11500焦耳，泵焦耳，泵浦直径浦直径1cm，长，长7.5cm的钕玻璃棒的钕玻璃棒September 2004394.2.24.2.2重复频率脉冲激光器重复频率脉冲激光器重复频率脉冲激光器重复频率脉冲激光器September 200440热累积热累积热累积热累积September 2004414.3热效应的消除和补偿热效应的消除和补偿4.3.1冷却与滤光冷却与滤光4.3.2光学补偿光学补偿4.3.3非圆柱工作物质非圆柱工作物质September 2004424.3.14.3.1冷却与滤光冷却与滤光冷却与滤光冷却与滤光一、冷却一、冷却液体冷却气体冷却传导冷却二、滤光二、滤光滤光液滤光玻璃September 200443一、冷却一、冷却一、冷却一、冷却液体冷却液体冷却液体冷却液体冷却September 200444液体冷却液体冷却液体冷却液体冷却September 200445气体冷却气体冷却气体冷却气体冷却September 200446传导冷却传导冷却传导冷却传导冷却September 200447二、滤光二、滤光二、滤光二、滤光全腔水冷全腔水冷分别水冷分别水冷滤光玻璃：掺铈（滤光玻璃：掺铈（Ce）、钐（）、钐（Sm）石英玻璃，硒镉玻璃）石英玻璃，硒镉玻璃滤光液：滤光液：0.31%重铬酸钾，重铬酸钾，1%2%亚硝酸钠亚硝酸钠September 2004484.3.2光学补偿光学补偿1、热透镜效应的补偿、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、热应力双折射补偿旋光90度石英旋光片波片,Porro棱镜September 2004494.3.3非圆柱工作物质非圆柱工作物质1、板条激光器、板条激光器2、管状激光器、管状激光器3、片状激光放大器、片状激光放大器September 2004503、片状激光放大器、片状激光放大器September 2004513、片状激光放大器、片状激光放大器