腔内倍频非线性晶体热效应的研究中期报告

1、毕业设计（论文）中期报告题目：腔内倍频非线性晶体热效应的研究院（系） 光电工程学 专 业 电子科学与技术(光电子方向)班 级 080113 姓 名 张攀 学 号 导 师 刘蓉 2012年 4月 22 日一、 设计（论文）进展状况1、倍频晶体热效应的理论研究随着研究的深入，在大量收集和分析有关于腔内倍频非线性晶体热效应的研究资料之后，我对本课题已经有了深入的了解，并从理论角度对腔内倍频非线性晶体热效应进行了分析，非线性晶体受到高功率密度激光辐射产生非线性极化变频的同时，不可避免地吸收部分基波能量，从而引起晶体通光方向上非均匀温升。其热效应引起的位相失配现象导致激光器的谐波转换效率降低以及输出光束

2、质量的变差。作为消除激光系统热效应的关键基础工作之一是准确得出激光器件在激光动力学过程中产生的温度梯度分布状况。只有得出准确的温度场，才可能为进一步研究非线性晶体的温升导致的相位失配等问题提供理论基础。1.2、非线性倍频晶体的光强分布方程及热传导方程在对各种初始条件及边界条件进行假设之后利用泊松方程得出了腔内倍频非线性晶体热效应的热传导方程，热模型及假设条件为降低谐振腔内倍频晶体KTP的温升，对于晶体采取了强制冷却的措施。通常的方法是:根据选用的晶体尺寸设计紫铜冷却夹块，用循环水冷方式或半导体冷却方式对紫铜块进行冷却。为了保障KTP晶体与紫铜块之间有良好的热传导方式，可在KTP晶体四周涂抹银粉

3、，用铟膜包裹，再在铟膜外测涂抹导热硅脂，最后放置于紫铜块中。 KTP晶体的外部由于施加了冷却措施,当晶体处于稳定工作状态，即通过KTP晶体的基频光功率稳定，晶体外部冷却环境温度相对稳定时，则KTP晶体内部产生的热量通过热传导方式被紫铜冷却块带走，这样在KTP晶体内部便会形成一个相对稳定的温度场分布。通过激光谐振腔KTP晶体工作特点的分析，建立晶体的热分析模型。(1) KTP晶体的两个通光端面满足绝热条件。由于KTP晶体的热导率较大，与空气热交换系数较小，经过晶体侧面以热传导方式流出的热量远大于端面和空气以热交换方式流失的热量，因而可忽略从晶体两个通光端面流失的热量，故晶体的两个通光端面处于绝热

4、状态。(2)假设通过KTP晶体的振荡的基频激光具有理想的TEM00模式分布。一般激光器可通过选用行波腔结构、扭摆模腔技术或腔内安插小孔光阑等方式控制腔内振荡的基频光具有TEM00模式。因此，辐射KTP晶体的基频光光强分布的表达式为： 式中，a，b为晶体边长， I0是归一化的基频光强， w是光束腰斑半径。由于KTP晶体内的基频光强度远大于倍频光光强度，又由于KTP晶体对基频光的吸收率也远大对倍频光的吸收率，因此，可忽略KTP晶体吸收倍频光所产生的热量，这里仅考虑KTP晶体吸收基频光能量产生的热量。由吸收定律，可得KTP晶体内的热功率密度为： qv( x, y) = I ( x, y) (3)谐振

5、腔内振荡的基频光光强度具有不变性。由于KTP晶体对基频光的吸收率 (= 0. 006cm- 1)较小，晶体通光长度较短 (一般只有3mm5mm左右 )，因此可忽略由于KTP晶体吸收引起的基频光能量衰减,并假设基频光穿过KTP晶体后其光强保持不变。晶体内部的热传导方程及解析解KTP晶体因吸收基频光能量而产生的热量,则在KTP晶体内部遵守Poisson方程：uxx+ uyy+ uzz= - qv/式中， qv为KTP晶体内的热功率密度，即单位体积内的发热率；为KTP晶体的径向导热系数或热导率。由于腔内基频光光强具有不变性，以及KTP晶体的两通光端面满足绝热等条件， KTP晶体内部产生的热量从侧面通

6、过热传导流出，则在建立的热模型中KTP晶体内部热流线垂直于z轴，即温度场分布与z轴无关, u ( x, y, z) = u ( x, y )。Poisson方程可以简化为：uxx+ uyy= - qv/1.3非线性倍频晶体内部的光强分布在此之后，我又对Matlab编程软件进行了全面的学习，现在已经基本掌握了程序的编写，并且做了非线性倍频晶体内的光强分布进行了仿真，倍频晶体光强分布程序设计以及仿真图像如下：w=0.1;%束腰半径a=3;%倍频晶体截面在x轴上的长度b=3; %倍频晶体截面在x、y轴上的长度I0=0.1; %基频光强x=0:0.01:3;y=0:0.01:3;x,y=meshgri

7、d(x,y); %在0,3*0,3区域生成网格坐标z=I0*exp(-2*(x-(a/2).2+(y-(b/2).2)/w2);mesh(x,y,z); %；绘出光强分布图xlabel('x轴');ylabel('y轴');zlabel('z轴');title('倍频晶体的光强分布');而我现在的工作是利用所得出的热传导方程对腔内倍频非线性晶体热效应进行仿真，并得出它的热分布图像。二、存在问题及解决措施2.1存在的问题在经过大量的调研之后，我便开始对腔内倍频非线性晶体热效应的热传导方程进行系统的推导，在推导过程中，我发现影响影响倍

8、频晶体的热分布场的因素非常多，各种参数之间还会相互影响，这给我推导热传导方程带来了很大的困难，所以，在推导热传导方程之前，首先要去分析它产生的原因已经影响它的各种因素，并对这些条件因素进行适当的假设，这样才能利用泊松方程进行推导计算。2.2解决措施在对问题进行了解之后，我对倍频晶体的各种参数进行以下假设：1)倍频晶体的外部由于施加了冷却措施，所以假设晶体处于稳定工作状态。2)假设KTP晶体的两个通光端面满足绝热条件。3)假设通过KTP晶体的振荡的基频激光具有理想的TEM00模式分布。4)假设谐振腔内振荡的基频光光强度具有不变性。在对一些条件进行假设之后，热传导问题就简单了一些，便可以利用泊松方程对倍频晶体的热分布进行分析，并推导出晶体的热传导方程。三、后期工作安排第九至十周，利用Matlab编程软件对倍频晶体热效应进行编程模拟，分析倍频晶体热效应的分布情况，为之后的解决方案提供前