4 固体激光工作物质的热效应 光电子技术(2)(激光器件)
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
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
4.1连续激光器的热效应 4.1.1热平衡下棒内温度分布 4.1.2激光棒的热应力 4.1.3激光棒的热应力双折射 4.1.4激光棒的热透镜效应
4.1.1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： r r0 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。
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
热传导方程的解 棒中心的温度： （4.1-1)式变为： 抛物线型
单位体积内发热功率Q 热耗散功率系数 整根棒的热耗散功率 泵浦源的输入功率 激光棒长度
热耗散功率与冷却水的热平衡方程 棒的表面积 棒表面与冷却介质的温差 热传递系数
热传递系数
棒表面与中心的温度 中心与表面温差：
温度分布
习题7 一台连续YAG激光器，激光棒尺寸为Φ5×50mm2，冷却水温度TF＝20℃，激光棒的热耗散功率Pd＝600W，YAG的热导率K＝0.11Wcm-1℃-1，冷却水与激光棒之间的热传递系数h＝3Wcm-2℃-1。 求：T(0)，T(r0)
4.1.2激光棒的热应力 应力： 线膨胀系数 热膨胀 应变： 杨氏模量 虎克定律： 泊松比：
各向同性物质的热应力 假设具有自由端的各向同性的激光棒，无其它外来作用时，依据前述温度分布和热弹理论的结论，应力可用下式表示： 径向： 切向： 轴向：
各向同性物质的热应力
最大应力 Nd:YAG的抗张强度为1800～2100Kg/cm2，对应的单位长度的热耗散功率约为150W/cm。 最大应力出现在棒表面和棒中心： Nd:YAG的抗张强度为1800～2100Kg/cm2，对应的单位长度的热耗散功率约为150W/cm。
热冲击波参量 热冲击波参量 材料： 玻璃 CSGG YAG Al2O3 R(W/cm) 1 6.5 7.9 100
4.1.3激光棒的热应力双折射 虎克定律 热弹理论 光弹效应 热耗散功率 温度分布 应力 应变 光率体 折射率 双折射
光率体 主轴化：
弹光效应 弹光系数，对于YAG具有3各独立分量
[001]方向Nd：YAG的热致双折射 X Y
[001]方向Nd：YAG的热致双折射
[001]方向Nd：YAG的热致双折射
[111]方向Nd：YAG的热致双折射 X Y
[111]方向Nd：YAG的热致双折射
[111]方向Nd：YAG的热致双折射 W/cm3 cm
[111]方向Nd：YAG的热致双折射 X Y
退偏效应 传输常数：
4.1.4激光棒的热透镜效应 温度差引起的折射率变化 热应力引起的折射率变化
温度引起的折射率变化 Nd：YAG的折射率温度系数7.3×10-6℃-1
热应力引起的折射率变化
热透镜效应 热透镜效应系数： 热焦距：
端面效应 对于Nd：YAG 主平面：
热效应的总焦距
4.2单次和重复率脉冲激光器的热效应 4.2.1单次脉冲激光器的热效应
单次脉冲泵浦时棒内温度的分布
使用15cm长螺旋氙灯，注入11500焦耳，泵浦直径1cm，长7.5cm的钕玻璃棒 温度分布与半径和时间的关系曲线 使用15cm长螺旋氙灯，注入11500焦耳，泵浦直径1cm，长7.5cm的钕玻璃棒
4.2.2重复频率脉冲激光器
热累积
4.3热效应的消除和补偿 4.3.1冷却与滤光 4.3.2光学补偿 4.3.3非圆柱工作物质
4.3.1冷却与滤光 一、冷却 液体冷却 气体冷却 传导冷却 二、滤光 滤光液 滤光玻璃
一、冷却—液体冷却
液体冷却
气体冷却
传导冷却
二、滤光 全腔水冷 分别水冷 滤光玻璃：掺铈（Ce）、钐（Sm）石英玻璃，硒镉玻璃 滤光液：0.3~1%重铬酸钾，1%~2%亚硝酸钠
4.3.2光学补偿 1、热透镜效应的补偿 修磨端面 热不灵敏腔 2、热应力双折射补偿 旋光 90度石英旋光片 波片,Porro棱镜
4.3.3非圆柱工作物质 1、板条激光器 2、管状激光器 3、片状激光放大器
3、片状激光放大器
3、片状激光放大器