固体激光工作物质的热效应中国工控网中国自动化企业

光电子技术(2)(激光器件)4固体激光工作物质的热效应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2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34.1连续激光器的热效应热平衡下棒内温度分布激光棒的热应力激光棒的热应力双折射激光棒的热透镜效应44.1.1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。rr05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6热传导方程的解棒中心的温度：（4.1-1)式变为：抛物线型7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8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9热传递系数10棒表面面与中中心的的温度度中心与与表面面温差差：11温度分分布12习题7一台连连续YAG激光器器，激激光棒棒尺寸寸为Φ5××50mm2，冷却却水温温度TF＝20℃℃，激光光棒的的热耗耗散功功率Pd＝600W，YAG的热导导率K＝0.11Wcm-1℃-1，冷却却水与与激光光棒之之间的的热传传递系系数h＝3Wcm-2℃-1。求：T(0)，T(r0)13激光棒棒的热热应力力应力：：应变：：虎克定定律：：泊松比比：热膨胀胀线膨胀胀系数数杨氏模模量14各向同同性物物质的的热应应力假设具具有自自由端端的各各向同同性的的激光光棒，，无其其它外外来作作用时时，依依据前前述温温度分分布和和热弹弹理论论的结结论，，应力力可用用下式式表示示：径向：：切向：：轴向：：15各向同同性物物质的的热应应力16最大应应力Nd:YAG的抗张张强度度为1800～2100Kg/cm2，对应应的单单位长长度的的热耗耗散功功率约约为150W/cm。最大应应力出出现在在棒表表面和和棒中中心：：17热冲击击波参参量材料：玻璃CSGGYAGAl2O3R(W/cm)16.57.9100热冲击击波参参量18激光棒棒的热热应力力双折折射热耗散散功率率应力应变光率体体折射率率双折射射热弹理理论温度分分布虎克定定律光弹效效应19光率体体主轴化化：20弹光效效应弹光系系数，，对于于YAG具有3各独立立分量量21[001]方向Nd：YAG的热致致双折折射XY22[001]方向向Nd：：YAG的热致致双折射射23[001]方向Nd：YAG的热致双双折射24[111]方向Nd：YAG的热致双双折射XY25[111]方向Nd：YAG的热致双双折射26[111]方向向Nd：：YAG的热致致双折射射W/cm3cm27[111]方向向Nd：：YAG的热致致双折射射XY28退偏效应应传输常数数：29激光棒的的热透镜镜效应温度差引引起的折折射率变变化热应力引引起的折折射率变变化30温度引起起的折射射率变化化Nd：YAG的折射率率温度系系数7.3××10-6℃-131热应力引引起的折折射率变变化32热透镜效效应热透镜效效应系数数：热焦距：：33端面效应应对于Nd：YAG主平面：：34热效应的的总焦距距354.2单次和重重复率脉脉冲激光光器的热热效应单次脉冲冲激光器器的热效效应36单次脉冲冲泵浦时时棒内温温度的分分布37温度分布布与半径径和时间间的关系系曲线使用15cm长螺旋氙氙灯，注注入11500焦耳，泵泵浦直径径1cm，长7.5cm的钕玻璃璃棒38重复频率率脉冲激激光器39热累积404.3热效应的的消除和和补偿冷却与滤滤光光学补偿偿非圆柱工工作物质质41冷却与滤滤光一、冷却却液体冷却却气体冷却却传导冷却却二、滤光光滤光液滤光玻璃璃42一、冷却却—液体冷却却43液体冷却却44气体冷却却45传导冷却却46二、滤光光全腔水冷冷分别水冷冷滤光玻璃璃：掺铈铈（Ce）、钐（（Sm）石英玻玻璃，硒硒镉玻璃璃滤光液：：0.3~1%重铬酸钾钾，1%~2%亚硝酸钠钠47光学补偿偿1、热透镜镜效应的的补偿修磨端面面热不灵敏敏腔2、热应力力双折射射补偿旋光90度石英旋旋光片波