激光介质的多次吸收不均匀内热源模型.pdf

}+样热物理学会 传热传质学 学术会议论文 3363 编号05 激光介质的多次吸收不均匀内热源模型 王军荣闵敬春末耀祖 (清华人学航天航空学院传热’0能源利用北京市重点实验室北京100084) 电话：010 Email：Wjr01@mails．tsingh“寻．edu．cn 摘要：针对激光介质的内热源．以多次吸收作用为基础提出r适用于侧面舣向采浦板状激光介质的小 均匀内热源模型，即多次吸收小均匀内热源模型，井oJ均匀内热源和一次吸收内热源模型进彳亍r对比 分析。研究表明，介质厚度发光吸收系数组成的无量荆参数1i『叫时．三种内热源模型得到的内热源分 布电有所不蚓。最后给出，内热源小均匀度投多次吸收模型与次吸收模型之间的差异诅不同日标值 下的内热源模型适用准则。 关键词激光介质热效麻内热源多次吸收 引 言 高热负荷激光介质作为高功率吲体激光器中的关键部件，在受到高功率泵浦光作用 时将导致严重的热效应，其直接后果是激光功率下降、光束质量降低、甚至使激光晶体 炸裂。热效应已经成为制约激光器功率进一步提高的严重障碍。内热源是激光介质产生 不均匀温度的根本原因。建立介质内热源分布模型是进行激光介质热效应研究首先需要 解决的问题。研究初期，许多研究者利片；|均匀内热源模型对板状介质的热效应进行了研 究，该内热源模型得到了广泛应用【l。8】。随着激光二极管功率的不断提高，端面泵浦方 式和侧面泵浦方式的发展，介质内热源分布都更为复杂，均匀内热源模型已不再适用。 一次吸收假设介质沿泵浦方向K度较氏，介质对泵浦能只进行一次吸收，不考虑泵浦腔 对泵浦能的反射。随着板状激光介质尺寸的减小，介质的厚度越来越薄，以一次吸收为 基础的不均匀内热源模型已不再适用。因此，本文针对扳状激光介质内热源分布进行研 究分析，提出适_Efj于侧面双向泵浦板状激光介质的不均匀内热源模型。 1．多次吸收不均匀内热源模型的提出 l 1板状激光介质泵浦方式 本文的研究对象为侧面双向泵浦板状激光介质，其几何尺寸如酗l所示，为长×宽 热效应，激光介质所吸收的泵浦能量中只有部分作为激光输出，其余能量均以内热源方 式在激光品体中转化为热及辐射损耗等。由泵浦端视图可见，在侧面烈向泵浦方式中， 泵浦光沿F轴正反两个方向均匀入射，y=±日的面为泵浦面，z=±∥的面为非泵浦 冷却水 幽1 激光介质的儿何尺寸及其泵油端视H 1857 面。由于泵浦光与z方向无关．因此内热源也与z方向无关。考虑到实际泵浦光路设计， 以及1F泵浦面面积与泵浦面面积相比较小．本文忽略激光介质在x方向对泵浦能量的吸 收作用。 l 2多次吸收不均匀内热源 首先分析泵浦光沿y轴正方向入射时激光介质的吸收作用。由于介质对泵浦光能量 的指数吸收作用，泵浦能量沿入射方向随着介质厚度呈指数衰减，即： ，。=^P川I’州J 一Ⅳ≤y≤Ⅳ (1) 式中，n=尸／彳，为y=一日处的光强，即单位泵浦面积的泵浦功率，亦称泵浦功率密度； P为泵浦功率；爿为激光介质的泵浦面积，对侧面双向泵浦扳状激光介质，』=8耽： a为激光介质的光吸收系数。 取与泵浦光相互作用的激光介质的 微元体咖，如幽2所示。由式(1)可得 ： … 1伊印) 单位面积下微元段内被介质所吸收的泵 浦光能餐为一dZ=口．‘P”¨“’咖。由