本文關鍵詞：薄膜電極重頻電光開關的熱管理研究

  更多相關文章： 普克爾盒 透明導電薄膜 重復頻率 熱管理 流體冷卻 傳導換熱 熱補償

【摘要】：高平均功率激光器能夠加強光與物質之間的相互作用,在高能高密度物理、粒子加速和聚變能源等領域有著廣闊的應用前景。世界各國對于聚變能源的重視讓高功率重頻激光技術得到迅速發(fā)展,如美國的Mercury裝置,德國Polaris裝置,法國Lucia裝置和中國神光裝置。這些激光驅動裝置都有著大口徑、高功率、重頻運轉、多程放大的特點。普克爾盒電光開關是重頻激光裝置中的關鍵單元,其作為級間隔離器件抑制了自激振蕩,同時控制多程放大的程數(shù),提高能量的提取效率。與等離子體電極電光開關相比,透明導電膜電極電光開關同樣可以定標到大口徑,而大幅度降低了均勻電極的獲得難度,可用于激光系統(tǒng)中較低峰值功率位置實現(xiàn)光束多程控制或級間隔離功能。重頻運轉下,開關晶體會對光脈沖產生線性吸收而導致熱沉積,晶體內的熱沉積使晶體產生溫升。DKDP晶體具有雙折射特性,其對溫度極其敏感。高功率重頻運轉意味著普克爾盒需要高效的熱管理,因此薄膜電極重頻電光開關的熱管理研究具有重要的科學意義。本文針對薄膜電極普克爾盒,分別提出傳導冷卻和流體冷卻的熱管理方案,在低光通量的運轉條件下,在普克爾盒的結構設計中可以使用透明導電薄膜作為開關電極,同時采用薄晶體定標到大口徑。本文對薄膜電極普克爾盒,分別提出傳導冷卻和流體冷卻的熱管理方案,并對開關晶體中的熱效應進行模擬分析。本文主要研究的內容有兩個方面：一、流體冷卻式熱管理方案的研究,通過建立了流固耦合有限元模型來分析流體冷卻式重頻普克爾盒的換熱特點。對流體流動的狀態(tài)進行模擬分析,然后討論影響換熱系數(shù)的相關因素,以及晶體內熱沉積的影響因素,得到普克爾盒的相關結構參數(shù)。并在優(yōu)化的熱管理前提下,模擬開關重頻應用時(0.4J/cm2@16Hz)開關晶體內產生的熱效應。模擬得到：開關晶體中的最大溫升為1.67 K,最大應力為1.87 MPa,出現(xiàn)在光斑邊界處,應力雙折射致退偏損耗的最大值出現(xiàn)在光斑邊界處,為0.38%,總波前畸變?yōu)?.239λ。二、傳導冷卻式熱管理方案的研究。提出薄膜電極的普克爾盒結構,其采用寶石傳導換熱的熱管理方式。首先通過理論分析得到相關的結構設計參數(shù),然后實驗分析傳導換熱的特點,并驗證理論分析。在110W平均功率輻照下測量開關晶體和寶石的溫升、開關全口徑上的退偏和波前畸變的分布。同時將實驗測量結果與數(shù)值模擬結果相比較,驗證所寫程序的有效性。最后,提出熱效應管理優(yōu)化的方法：邊界主動加熱補償法。邊界主動加熱補償是通過改善橫截面上溫度梯度分布的均勻度來降低退偏損耗和波前畸變,能夠有效地提高重頻普克爾盒的熱管理效率。
【關鍵詞】：普克爾盒 透明導電薄膜 重復頻率 熱管理 流體冷卻 傳導換熱 熱補償
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN24
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 緒論8-22
• 1.1 背景8-11
• 1.2 重頻普克爾盒電光開關的研究現(xiàn)狀11-16
• 1.2.1 重頻等離子體普克爾盒電光開關12-14
• 1.2.2 傳導換熱式重頻普克爾盒14
• 1.2.3 橫向熱補償重頻普克爾盒14-15
• 1.2.4 反射式等離子體電極重頻普克爾盒15-16
• 1.3 基于IFE激光驅動器的普克爾盒設計16-20
• 1.3.1 薄膜電極的材料現(xiàn)狀17-18
• 1.3.2 透明導電薄膜電極普克爾盒的設計18-20
• 1.4 論文的主要內容和研究方法20-22
• 1.4.1 研究意義20-21
• 1.4.2 主要內容21
• 1.4.3 數(shù)值模擬方法21-22
• 第二章 普克爾盒電光開關熱問題的理論分析22-30
• 2.1 引言22
• 2.2 熱效應22-24
• 2.2.1 溫度傳輸與分布22-23
• 2.2.2 應力分布23-24
• 2.3 退偏損耗24-25
• 2.3.1 溫致電光系數(shù)引起的退偏損耗24-25
• 2.3.2 應力雙折射引起的退偏損耗25
• 2.4 波前畸變25-28
• 2.5 流體流動及傳熱方程28-29
• 2.6 本章小結29-30
• 第三章 薄膜電極普克爾盒流體冷卻換熱管理分析30-51
• 3.1 引言30
• 3.2 建立流固耦合模型30-32
• 3.3 普克爾盒中冷卻流體的分析32-34
• 3.4 換熱系數(shù)的影響因素34-38
• 3.4.1 縫隙寬度與換熱系數(shù)的關系34-35
• 3.4.2 流體流速與換熱系數(shù)的關系35-36
• 3.4.3 流體入口大小與換熱系數(shù)的關系36-38
• 3.5 影響晶體中熱沉積的因素38-42
• 3.5.1 熱傳輸和應力傳輸有限元模型38-39
• 3.5.2 開關晶體厚度對溫度、應變及光束波前的影響39-40
• 3.5.3 光斑與開關晶體的邊界距離對溫度場和應變場的影響40-42
• 3.6 冷卻換熱管理下的熱效應分析42-49
• 3.6.1 溫度和應力分析42-46
• 3.6.2 退偏損耗分析46-48
• 3.6.3 波前畸變分析48-49
• 3.7 本章小結49-51
• 第四章 薄膜電極普克爾盒傳導換熱管理分析51-63
• 4.1 引言51
• 4.2 理論設計51-54
• 4.3 實驗分析54-60
• 4.3.1 傳導換熱分析55-57
• 4.3.2 熱效應分析57-60
• 4.4 熱管理的加強60-61
• 4.5 本章小結61-63
• 第五章 總結63-65
• 致謝65-66
• 參考文獻66-69
• 附錄69
• 攻讀碩士期間的論文情況69
• 攻讀碩士期間參加會議情況69

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 黃文發(fā);李學春;王江峰;盧興華;張玉奇;范薇;林尊琪;;激光二極管抽運氦氣冷卻釹玻璃疊片激光放大器熱致波前畸變和應力雙折射的數(shù)值模擬和實驗研究[J];物理學報;2015年08期

2 曹培江;鄧海峰;柳文軍;賈芳;朱德亮;馬曉翠;呂有明;;生長溫度對Ga摻雜ZnO薄膜光電性能的影響[J];發(fā)光學報;2012年03期

3 張君;張雄軍;吳登生;田曉琳;李明中;鄭奎興;;平均功率普克爾盒熱效應數(shù)值模擬及應力雙折射補償[J];紅外與激光工程;2011年09期

4 張君;張雄軍;吳登生;田曉琳;鄭建剛;段文濤;李明中;;高能重復頻率運轉條件下等離子體普克爾盒熱效應及其控制理論分析[J];中國激光;2011年01期

5 張雄軍;吳登生;張君;鄭建剛;田曉琳;;20mm孔徑重復頻率等離子體電光開關研究[J];光學學報;2010年06期

6 陳成猛;楊永崗;溫月芳;楊全紅;王茂章;;有序石墨烯導電炭薄膜的制備[J];新型炭材料;2008年04期

7 於海武,鄭萬國,王成程,唐軍,賀少勃,劉勇淳,于詠梅,王琳;單口徑片狀放大器光束波前畸變熱恢復研究[J];中國激光;2001年11期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 宋淑梅;多層結構透明導電氧化物薄膜的制備及特性研究[D];山東大學;2010年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 何樂;客機機艙環(huán)境熱舒適研究[D];天津大學;2010年

2 張君;重復頻率等離子體電光開關熱問題及其控制[D];中國工程物理研究院;2008年

，

本文編號：655433