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间隔掺杂低温Yb:YAG叠片放大器的热效应优化

肖凯博,  蒋新颖,  袁晓东,  郑建刚,  郑万国

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肖凯博, 蒋新颖, 袁晓东, 郑建刚, 郑万国. 间隔掺杂低温Yb:YAG叠片放大器的热效应优化[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(12): 1206004-1206004(8). doi: 10.3788/IRLA201645.1206004
引用本文: 肖凯博, 蒋新颖, 袁晓东, 郑建刚, 郑万国. 间隔掺杂低温Yb:YAG叠片放大器的热效应优化[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(12): 1206004-1206004(8). doi: 10.3788/IRLA201645.1206004
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Xiao Kaibo, Jiang Xinying, Yuan Xiaodong, Zheng Jiangang, Zheng Wanguo. Optimization of thermal effects in a cryogenically cooled Yb: YAG multislab amplifier with interlayers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(12): 1206004-1206004(8). doi: 10.3788/IRLA201645.1206004
Citation: Xiao Kaibo, Jiang Xinying, Yuan Xiaodong, Zheng Jiangang, Zheng Wanguo. Optimization of thermal effects in a cryogenically cooled Yb: YAG multislab amplifier with interlayers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(12): 1206004-1206004(8). doi: 10.3788/IRLA201645.1206004
shu

间隔掺杂低温Yb:YAG叠片放大器的热效应优化

doi: 10.3788/IRLA201645.1206004
  • 1.

    中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900;

  • 2.

    上海交通大学 IFSA协同创新中心,上海 200240;

  • 3.

    中国工程物理研究院研究生部,北京 100088

基金项目: 

中国工程物理研究院聚变能源中心项目（R2014-0202-01，R2014-0202-02）

详细信息
    作者简介:

    肖凯博(1988-),男,博士生,主要从事重频高功率固体激光技术方面的研究。Email:xiaokb1988@163.com

  • 中图分类号: TN248.1

Optimization of thermal effects in a cryogenically cooled Yb: YAG multislab amplifier with interlayers

  • 1.

    Research Center of Laser Fusion,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China;

  • 2.

    Collaborative Innovation Center of IFSA,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;

  • 3.

    Graduate School of China Academy of Engineering Physics,Beijing 100088,China

  • 摘要: 针对高重复频率运行下低温氦气冷却的间隔掺杂Yb：YAG叠片激光放大器中热效应的问题，提出了一种多层Cr4+：YAG热管理技术，并优化设计了放大器Cr4+：YAG间隔层和包边结构以减少热效应的影响。利用三维有限元和琼斯矩阵方法，分析了不同Cr4+：YAG结构激光介质中温度和应力应变分布，并模拟计算了热致双折射退偏损耗和波前畸变。数值结果表明，通过设计两层和三层Cr4+：YAG结构，降低与增益介质相邻Cr4+：YAG中的热沉积，增益区内的横向温差可降低到1.5 K以内，光束经过整个放大器后平均退偏损耗和波前畸变可分别减少到0.5%、0.8；进一步合理地设计Cr4+：YAG的层数和吸收系数能有效消除热效应对光束质量的影响。
    Abstract: The thermal management technique of multi-layer Cr4+:YAG medium was presented for mitigating the deleterious impact of thermal effects in a cryogenic helium gas cooled Yb:YAG multislab amplifier with Cr4+:YAG interlayers operating at a high repetition rate, by means of optimizing the architectures of Cr4+:YAG interlayers and claddings in the laser slabs. The distributions of temperature, stress, depolarization losses and optical path difference in four amplifier architectures with different Cr4+:YAG parameters were numerically calculated by a three-dimensional finite element analysis and the Jones matrices method. Based on these results of the propsed modelling, it was showed that the properly designed two-layer and three-layer Cr4+:YAG could decrease the heat deposition of the Cr4+:YAG around the gain media, and hence result in a very small transverse temperature gradient (1.5 K) in the first slab. When the laser beam traveled through the whole amplifier, the average thermal-stress induced depolarization losses and optical path difference for the laser amplifier head were reduced to 0.5% and 0.8, respectively. Furthermore, the negative impact of thermal effects on the output beam quality can be vanished by properly designing the number, widths, and absorption coefficients of the multi-layer Cr4+:YAG medium, which are beneficial for the engineering/design of the next generation of high energy, high power lasers.
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-12
  • 修回日期:  2015-12-03
  • 刊出日期:  2016-12-25

间隔掺杂低温Yb:YAG叠片放大器的热效应优化

doi: 10.3788/IRLA201645.1206004
  • 1. 中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900;
  • 2. 上海交通大学 IFSA协同创新中心,上海 200240;
  • 3. 中国工程物理研究院研究生部,北京 100088
    • 作者简介:

    肖凯博(1988-),男,博士生,主要从事重频高功率固体激光技术方面的研究。Email:xiaokb1988@163.com

  • 收稿日期: 2015-11-12
  • 修回日期: 2015-12-03
  • 刊出日期: 2016-12-25
基金项目:

中国工程物理研究院聚变能源中心项目（R2014-0202-01，R2014-0202-02）

  • 中图分类号: TN248.1

摘要: 针对高重复频率运行下低温氦气冷却的间隔掺杂Yb：YAG叠片激光放大器中热效应的问题，提出了一种多层Cr4+：YAG热管理技术，并优化设计了放大器Cr4+：YAG间隔层和包边结构以减少热效应的影响。利用三维有限元和琼斯矩阵方法，分析了不同Cr4+：YAG结构激光介质中温度和应力应变分布，并模拟计算了热致双折射退偏损耗和波前畸变。数值结果表明，通过设计两层和三层Cr4+：YAG结构，降低与增益介质相邻Cr4+：YAG中的热沉积，增益区内的横向温差可降低到1.5 K以内，光束经过整个放大器后平均退偏损耗和波前畸变可分别减少到0.5%、0.8；进一步合理地设计Cr4+：YAG的层数和吸收系数能有效消除热效应对光束质量的影响。

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