板条激光放大器热效应对传输特性影响研究

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板条激光放大器具有系统稳定可靠,寿命长,能量转换效率高,输出光束方向好、发散角小、频率稳定、质量高等大量优点,而且体积小、结构简单,因而广泛应用于科研、军事、医疗等多个领域。然而热效应成为其高光束质量高功率输出的最大障碍,制约着板条激光放大器的发展,因此对板条激光放大器热效应及其对传输特性影响的研究具有重要意义。本文从稳态热传导方程出发,利用有限差分方法,对大功率激光二极管阵列端面泵浦板条激光放大器进行热效应研究,数值模拟了板条Nd:YAG晶体的温度分布,进一步求出工作物质中热应力与热应变分布,及由热应变引起的晶体折射率分布。并在此基础上,研究在热效应条件下对光束在板条介质中传输的影响,分析得出改善温度分布不均匀性、降低热效应、提高激光放大器输出功率和光束传输质量的有效方法与措施。本文主要分为两部分工作,一是对板条激光放大器的热效应研究,一是热效应对板条激光放大器传输特性的影响。热效应中求解板条温度场是基础和重点,有限差分算法能数值模拟任意泵浦和冷却条件下的温度场分布。再根据胡克定律,由应力与应变关系求出板条介质的热应力场分布。然后根据激光介质的光学特性,进一步求出板条介质由温度和应力导致的折射率变化,得出折射率分布。折射率分布不均匀,则会影响板条的光传输特性。本文建立板条激光放大器等效传输模型,在超高斯输入光束情形下,分析热效应对光束在板条中传输过程的影响。热效应会产生应力双折射现象和非线性效应。利用分步傅里叶算法,求解板条内的空间衍射方程,综合考虑衍射调制和热效应导致的非线性调制,得出两个偏振方向经过板条传输后的输出光束,然后讨论板条传输特性的变化和热效应产生的影响。
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