边界主动加热管理平均功率普克尔盒热效应

建立了平均功率激光辐照下,边界主动加热的电光晶体内3维各向异性热传输有限元模型及其热应力双折射模型,在此基础上分析了等离子体普克尔盒热效应。提出了边界主动加热控制电光晶体横向温度梯度热管理思想,并给出平均功率普克尔盒的光开关性能。结果表明：对于50 J/10 Hz、光束口径为50 mm×30 mm的激光系统,普克尔盒最大退偏损耗为3.58%,平均退偏损耗为0.9%,波前畸变为1.59λ。采用边界加热控制后,当加热功率密度为500 W/m2时,最大退偏损耗为0.17%、平均退偏损耗为0.05%、波前畸变为0.26λ,普克尔盒热效应显著降低,满足设计要求。     

等离子体电极普克尔盒电光开关单脉冲过程数值模拟

采用流体模型对等离子体电极普克尔盒(PEPC)电光开关单脉冲过程进行了数值模拟分析.模型包括带电粒子连续性方程、动量守恒方程、电子平均能量方程及空间电位泊松方程.分别采用隐式指数差分格式，超松弛迭代法(SOR)和经典四阶龙格-库塔法(R-K)对带电粒子连续性方程，泊松方程和电子平均能量方程进行数值求解.模拟分析了PEPC单脉冲过程中的带电粒子浓度、电子温度、空间电场、PEPC的放电电流、晶体两侧电压和开关效率的时间演化特性.模型得出了PEPC中气体放电等离子体的微观物理过程与PEPC宏观参量的关系，对设计 关键词： 等离子体电极普克尔盒 电光开关 数值模拟 气体放电     

2.94 μm Er:YAG激光热效应数值模拟及实验研究

理论分析了Er:YAG激光晶体的热退偏效应,模拟计算了该晶体棒端面退偏的分布,并进行了偏光干涉实验验证。结果表明,数值模拟和实验结果完全一致,热退偏效应随抽运能量增大而增强,退偏分布呈十字形,最大退偏发生在晶体棒端面上与起偏器偏振方向成45°方位处。同时,还阐明了一种利用临界稳定腔来测量灯抽运脉冲Er:YAG激光器有效热透镜焦距的简单方法,测量出不同抽运功率下Er:YAG晶体的等效热焦距。     

固态热容激光器3维瞬态热畸变模拟分析

 根据固态热容激光器的动态工作特性,考虑热力学参数与温度的关系,采用3维有限差分方法模拟分析了薄片热容激光器的3维温度和热应力分布随时间的变化关系。计算了热容激光器的热畸变和退偏损耗随时间的动态变化规律,并与采用连续水冷却方式工作的圆棒激光器的热畸变特性做了比较。模拟结果显示,形变是引起波前相位畸变的主要因素,退偏损耗随泵浦时间增加和泵浦功率增大而非线性增大。     

固态热容激光器3维瞬态热畸变模拟分析

根据固态热容激光器的动态工作特性,考虑热力学参数与温度的关系,采用3维有限差分方法模拟分析了薄片热容激光器的3维温度和热应力分布随时间的变化关系。计算了热容激光器的热畸变和退偏损耗随时间的动态变化规律,并与采用连续水冷却方式工作的圆棒激光器的热畸变特性做了比较。模拟结果显示,形变是引起波前相位畸变的主要因素,退偏损耗随泵浦时间增加和泵浦功率增大而非线性增大。     

液冷薄片构型激光器及其热管理技术

为了解决增益介质的热效应问题,提出了一种浸没式构型液冷激光器方案,该构型激光器在10Hz重复抽运频率下,获得了615mJ的能量输出,光光转换效率为21%,斜率效率为23%.基于流体力学和热力学原理,建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型,利用软件模拟和有限元分析法,研究了在不同流速、泵浦功率条件下,整个增益区的温度场、速度场的分布特性;并基于增益区温度场的分布,分析了液冷条件下通过增益区的激光波前畸变特性.结果表明,增益介质的最大光程差为0.7666λ,冷却液最大光程差为-4.7331λ,说明该构型激光器有着良好的热管理性能.     

2 μm Cr,Tm,Ho:YAG激光热退偏效应的数值模拟及实验研究

理论分析了Cr,Tm,Ho:YAG激光晶体的热退偏效应, 模拟计算了该晶体棒端面退偏度的分布, 并进行了偏光干涉实验验证. 结果表明, 数值模拟和实验研究结果完全一致, 热致退偏效应随抽运能量增大而增强, 退偏度分布呈十字形, 最大退偏度发生在晶体棒端面上与起偏器偏振方向成45°方位处. 以此提出了高能量Cr,Tm,Ho:YAG激光器的热退偏补偿方法, 获得了激光脉冲能量提高24%以上的实验效果.     

高平均功率电光开关晶体热畸变分析

深入分析了方板构型的电光开关晶体在高功率载荷条件下的热畸变行为,讨论了光强分布对热效应的影响。以KDP晶体为例,分别计算了激光束光强为高斯分布和均匀分布时晶体的温升、相应的热应力分布、波前畸变以及热退偏。结果表明,光强的分布形式对波前畸变和热退偏的影响是不同的。相对于光强均匀分布的激光束,高斯光束减缓了光斑边沿处的温度梯度,产生的热应力较小,因此可以减弱热退偏效应;另一方面,在光束口径范围内,高斯光束产生了附加的温度分布非均匀性,因而波前畸变会大一些。     

Thermal distortion and birefringence in repetition-rate plasma electrode Pockels cell for high average power

We numerically study thermally induced birefringence and distortion in plasma electrode Pockels cell based on KD*P as the electro-optic material. This device can repetitively operate under the heat capacity mode.Simulation results indicate that the excellent switching performances and low wave-front distortion are achieved within several tens seconds working time at average power in excess of 1 kW.     

高平均功率电光开关晶体热畸变分析

 深入分析了方板构型的电光开关晶体在高功率载荷条件下的热畸变行为,讨论了光强分布对热效应的影响。以KDP晶体为例,分别计算了激光束光强为高斯分布和均匀分布时晶体的温升、相应的热应力分布、波前畸变以及热退偏。结果表明,光强的分布形式对波前畸变和热退偏的影响是不同的。相对于光强均匀分布的激光束,高斯光束减缓了光斑边沿处的温度梯度,产生的热应力较小,因此可以减弱热退偏效应;另一方面,在光束口径范围内,高斯光束产生了附加的温度分布非均匀性,因而波前畸变会大一些。     

高平均功率开关晶体热力学特性有限元分析

 基于有限元数值方法,就不同的光强分布模型以及电光晶体固定或自由的边界条件,模拟分析了KDP,DKDP,LiNbO₃,BBO开关晶体材料在高平均功率激光负载下的热力学特性。结果表明:激光作用数s后,温升分布基本与光强分布一致;晶体表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;晶体的力学边界约束对最大轴向位移及最大拉热应力的影响随着光斑填充因子的增大而增强;在相同的入射激光光源及相同的边界条件下,KDP上的温升最大,热畸变最严重,DKDP次之,而LiNbO₃和BBO具有较低的温升值或较低的热形变和热应力。     

高平均功率开关晶体热力学特性有限元分析

基于有限元数值方法,就不同的光强分布模型以及电光晶体固定或自由的边界条件,模拟分析了KDP,DKDP,LiNbO3,BBO开关晶体材料在高平均功率激光负载下的热力学特性。结果表明:激光作用数s后,温升分布基本与光强分布一致;晶体表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;晶体的力学边界约束对最大轴向位移及最大拉热应力的影响随着光斑填充因子的增大而增强;在相同的入射激光光源及相同的边界条件下,KDP上的温升最大,热畸变最严重,DKDP次之,而LiNbO3和BBO具有较低的温升值或较低的热形变和热应力。     

Modeling of plasma behavior in a plasma electrode Pockels cell

We present three interrelated models of plasma behavior in a plasma electrode Pockels cell (PEPC). In a PEPC, plasma discharges are formed on both sides of a thin, large-aperture electro-optic crystal (typically KDP). The plasmas act as optically transparent, highly conductive electrodes, allowing uniform application of a longitudinal field to induce birefringence in the crystal. First, we model the plasma in the thin direction, perpendicular to the crystal, via a one-dimensional fluid model. This yields the electron temperature and the density and velocity profiles in this direction as functions of the neutral pressure, the plasma channel width, and the discharge current density. Next, me model the temporal response of the crystal to the charging process, combining a circuit model with a model of the sheath which forms near the crystal boundary. This model gives the time-dependent voltage drop across the sheath as a function of electron density at the sheath entrance. Finally, we develop a two dimensional MHD model of the planar plasma, in order to calculate the response of the plasma to magnetic fields. We show how the plasma uniformity is affected by the design of the current return, by the longitudinal field from the cathode magnetron, and by fields from other sources. This model also gives the plasma sensitivity to the boundary potential at which the top and bottom of the discharge are held. We validate these models by showing how they explain observations in three large Pockels cells built at Lawrence Livermore National Laboratory     

重频应用下等离子体电光开关热退偏损耗分析

基于有限元数值方法,给出电光晶体KDP在高平均功率激光负载下温度场分布和应力场分布。在此基础上得到了折射率随温度变化、电光系数随温度变化、及应力双折射引入的退偏损耗。数值模拟显示：电光系数随温度变化和应力双折射是引起开关退偏损耗的主要因素。当入射激光平均功率为40 W、辐照时间为420 s时,KDP晶体最高温度为38.43 ℃,电光系数随温度变化及应力双折射引入的最大退偏损耗分别为2.38%和4.04%。实验测量了应力双折射导致的退偏损耗,实验结果和理论结果符合较好。     

大口径等离子体电极普克尔盒电光开关研究

 设计建造了通光口径为240mm×240mm等离子体电极普克尔盒,在KDP的两侧用磁控阴极放电产生了覆盖全口径的等离子体电极。用仿真线成形,产生了电压幅值10kV,脉冲上升时间50ns,脉宽500ns,顶部电压波动＜±2%的矩形开关脉冲。测得电光开关的光学特性为全口径静态透过率85.8%,静态消光比132,开关效率97.6%,开关上升时间95ns。