固體激光工作物質(zhì)的熱效應(yīng)中國(guó)工控網(wǎng)中國(guó)自動(dòng)化企業(yè)

光電子技術(shù)(2)(激光器件)4固體激光工作物質(zhì)的熱效應(yīng)4.固體激光工作物質(zhì)的熱效應(yīng)4.1連續(xù)激光器的熱效應(yīng)4.2單次和重復(fù)率脈沖激光器的熱效應(yīng)4.3熱效應(yīng)的消除和補(bǔ)償2熱效應(yīng)涉及的現(xiàn)象和理論現(xiàn)象溫度猝滅熱應(yīng)力熱致雙折射熱透鏡理論熱彈理論彈光理論虎克定律熱傳導(dǎo)理論34.1連續(xù)激光器的熱效應(yīng)熱平衡下棒內(nèi)溫度分布激光棒的熱應(yīng)力激光棒的熱應(yīng)力雙折射激光棒的熱透鏡效應(yīng)44.1.1熱平衡下棒內(nèi)溫度分布在熱平衡狀態(tài)下，忽略冷卻介質(zhì)沿軸向的微小溫度變化認(rèn)為熱流主要沿棒的徑向傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)方程：T溫度，Q單位體積內(nèi)發(fā)熱功率，r棒橫截面內(nèi)任一半徑大小，K熱導(dǎo)率。rr05熱傳導(dǎo)方程的解熱傳導(dǎo)方程為一歐拉方程，取r=et，即可轉(zhuǎn)為常微分方程，最終得到方程解為：棒表面的溫度6熱傳導(dǎo)方程的解棒中心的溫度：（4.1-1)式變?yōu)椋簰佄锞€型7單位體積內(nèi)發(fā)熱功率Q整根棒的熱耗散功率泵浦源的輸入功率熱耗散功率系數(shù)激光棒長(zhǎng)度8熱耗散功率與冷卻水的熱平衡方程棒的表面積熱傳遞系數(shù)棒表面與冷卻介質(zhì)的溫差9熱傳遞系數(shù)10棒表面面與中中心的的溫度度中心與與表面面溫差差：11溫度分分布12習(xí)題7一臺(tái)連連續(xù)YAG激光器器，激激光棒棒尺寸寸為Φ5××50mm2，冷卻卻水溫溫度TF＝20℃℃，激光光棒的的熱耗耗散功功率Pd＝600W，YAG的熱導(dǎo)導(dǎo)率K＝0.11Wcm-1℃-1，冷卻卻水與與激光光棒之之間的的熱傳傳遞系系數(shù)h＝3Wcm-2℃-1。求：T(0)，T(r0)13激光棒棒的熱熱應(yīng)力力應(yīng)力：：應(yīng)變：：虎克定定律：：泊松比比：熱膨脹脹線膨脹脹系數(shù)數(shù)楊氏模模量14各向同同性物物質(zhì)的的熱應(yīng)應(yīng)力假設(shè)具具有自自由端端的各各向同同性的的激光光棒，，無(wú)其其它外外來(lái)作作用時(shí)時(shí)，依依據(jù)前前述溫溫度分分布和和熱彈彈理論論的結(jié)結(jié)論，，應(yīng)力力可用用下式式表示示：徑向：：切向：：軸向：：15各向同同性物物質(zhì)的的熱應(yīng)應(yīng)力16最大應(yīng)應(yīng)力Nd:YAG的抗張張強(qiáng)度度為1800～2100Kg/cm2，對(duì)應(yīng)應(yīng)的單單位長(zhǎng)長(zhǎng)度的的熱耗耗散功功率約約為150W/cm。最大應(yīng)應(yīng)力出出現(xiàn)在在棒表表面和和棒中中心：：17熱沖擊擊波參參量材料：玻璃CSGGYAGAl2O3R(W/cm)16.57.9100熱沖擊擊波參參量18激光棒棒的熱熱應(yīng)力力雙折折射熱耗散散功率率應(yīng)力應(yīng)變光率體體折射率率雙折射射熱彈理理論溫度分分布虎克定定律光彈效效應(yīng)19光率體體主軸化化：20彈光效效應(yīng)彈光系系數(shù)，，對(duì)于于YAG具有3各獨(dú)立立分量量21[001]方向Nd：YAG的熱致致雙折折射XY22[001]方向向Nd：：YAG的熱致致雙折射射23[001]方向Nd：YAG的熱致雙雙折射24[111]方向Nd：YAG的熱致雙雙折射XY25[111]方向Nd：YAG的熱致雙雙折射26[111]方向向Nd：：YAG的熱致致雙折射射W/cm3cm27[111]方向向Nd：：YAG的熱致致雙折射射XY28退偏效應(yīng)應(yīng)傳輸常數(shù)數(shù)：29激光棒的的熱透鏡鏡效應(yīng)溫度差引引起的折折射率變變化熱應(yīng)力引引起的折折射率變變化30溫度引起起的折射射率變化化Nd：YAG的折射率率溫度系系數(shù)7.3××10-6℃-131熱應(yīng)力引引起的折折射率變變化32熱透鏡效效應(yīng)熱透鏡效效應(yīng)系數(shù)數(shù)：熱焦距：：33端面效應(yīng)應(yīng)對(duì)于Nd：YAG主平面：：34熱效應(yīng)的的總焦距距354.2單次和重重復(fù)率脈脈沖激光光器的熱熱效應(yīng)單次脈沖沖激光器器的熱效效應(yīng)36單次脈沖沖泵浦時(shí)時(shí)棒內(nèi)溫溫度的分分布37溫度分布布與半徑徑和時(shí)間間的關(guān)系系曲線使用15cm長(zhǎng)螺旋氙氙燈，注注入11500焦耳，泵泵浦直徑徑1cm，長(zhǎng)7.5cm的釹玻璃璃棒38重復(fù)頻率率脈沖激激光器39熱累積404.3熱效應(yīng)的的消除和和補(bǔ)償冷卻與濾濾光光學(xué)補(bǔ)償償非圓柱工工作物質(zhì)質(zhì)41冷卻與濾濾光一、冷卻卻液體冷卻卻氣體冷卻卻傳導(dǎo)冷卻卻二、濾光光濾光液濾光玻璃璃42一、冷卻卻—液體冷卻卻43液體冷卻卻44氣體冷卻卻45傳導(dǎo)冷卻卻46二、濾光光全腔水冷冷分別水冷冷濾光玻璃璃：摻鈰鈰（Ce）、釤（（Sm）石英玻玻璃，硒硒鎘玻璃璃濾光液：：0.3~1%重鉻酸鉀鉀，1%~2%亞硝酸鈉鈉47光學(xué)補(bǔ)償償1、熱透鏡鏡效應(yīng)的的補(bǔ)償修磨端面面熱不靈敏敏腔2、熱應(yīng)力力雙折射射補(bǔ)償旋光90度石英旋旋光片波