固体激光工作物质的热效应.ppt

光电子技术(2)(激光器件),4 固体激光工作物质的热效应,2,4.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,4,4.1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,5,4.1.1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：,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。,6,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：,棒表面的温度,7,热传导方程的解,棒中心的温度：,（4.1-1)式变为：,抛物线型,8,单位体积内发热功率Q,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,棒的表面积,热传递系数,棒表面与冷却介质的温差,10,热传递系数,11,棒表面与中心的温度,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),14,4.1.2激光棒的热应力,应力：,应变：,虎克定律：,泊松比：,热膨胀,线膨胀系数,杨氏模量,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：,径向：,切向：,轴向：,16,各向同性物质的热应力,17,最大应力,Nd:YAG的抗张强度为18002100Kg/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,热冲击波参量,19,4.1.3激光棒的热应力双折射,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,主轴化：,21,弹光效应,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,23,001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,26,111方向Nd：YAG的热致双折射,27,111方向Nd：YAG的热致双折射,W/cm3,cm,28,111方向Nd：YAG的热致双折射,X,Y,29,退偏效应,传输常数：,30,4.1.4激光棒的热透镜效应,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,Nd：YAG的折射率温度系数7.310-6-1,32,热应力引起的折射率变化,33,热透镜效应,热透镜效应系数：,热焦距：,34,端面效应,主平面：,35,热效应的总焦距,36,4.2单次和重复率脉冲激光器的热效应,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,39,4.2.2重复频率脉冲激光器,40,热累积,41,4.3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,42,4.3.1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,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：0.31%重铬酸钾，1%2%亚硝酸钠,48,4.3.2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