腔内倍频非线性晶体热效应的研究开题报告

毕业设计(论文)开题报告题目：腔内倍频非线性晶体热效应的研究院（系）光电工程学专业电子科学与技术(光电子方向)班级080113姓名张攀学号080113119导师刘蓉2012年2月27日一、课题研究的背景和意义以及热效应的研究状况1.1课题研究的背景和意义激光入射晶体后会产生热效应，热效应包括热透镜效应、热致应力双折射效应[1]。热传导在晶体中形成不均匀的温度分布，这一不均匀的温度分布将导致晶体的不均匀膨胀，从而引起应力的作用，称为热应力。热应力过大，超过晶体断裂的极限时，会导致晶体的炸裂。不均匀的温度分布和热应力的共同作用，使晶体的折射率发生不均匀的改变，一方面使得晶体变成了类透镜介质，产生热透镜效应。另一方面非均匀温度分布会产生热应力，热应力又会引起折射率发生变化，使得原来各向同性的介质变成了各向异性，这既是热致应力双折射效应[2]。非线性晶体与入射激光相互作用，会产生倍频。同时，其所吸收的部分或全部能量将转变为热能，并在晶体内产生温度梯度，产生热效应。由于晶体的折射率是温度的函数，当激光入射晶体时，由于光的能量转换和外界因素的影响，温度发生变化，从而它的相位匹配角同常温下相比发生很明显的改变，导致晶体最佳相位匹配角的改变，进而影响到激光频率转换效率和三波互相作用效率，甚至得不到有效地频率转换激光输出。因此，研究晶体温度场分布以及温度改变对相位匹配角的影响（热效应的影响），对研究激光频率转化过程及其效率具有重要的意义。而且对在激光频率变换试验中，研究谐波输出的激光模式以及如何对晶体热效应的控制和补偿有指导意义。随着激光的应用越来越广泛和对激光光束质量的要求越来越高，由于热引起的波前畸变成为影响光束质量的严重问题之一。因此研究倍频晶体热效应产生的热吸收对激光输出的影响和改善激光器性能具有重要的指导意义和应用价值。1.2热效应的研究状况早在1976年sivaatava等人利用聚焦光束得到由于自然双折射率的非均匀性在晶体中产生二次谐波的转换效率关系式，同年sivaatava等人利用聚焦光束研究自诱导温度分布和非均匀对二次谐波的影响，指出了在不考虑自诱导热效应和非均匀性时相位匹配温度的计算值和实验值是不一致的；温度带宽度的增加表明晶体中的非均匀性和转变效率的增加[3]。1983年克希奈尔在《固体激光工程》[4]中首次断面形变热透镜效应做了阐述，并且认为，有温度梯度引起的热透镜效应其主导作用。热致应力双折射引起的热效应占总热效应的20%，而断面效应引起的热透镜效应最低，低于6%，由于当时激光功率低，后来人们对热透镜的研究主要集中在对除断面形变以外的热透镜的研究上。但是，近几年来，随着大功率固体激光器的不断问世，断面形变热效应在激光二极管侧面泵浦时，还是较小，大概6%左右[5]，在二级管断面泵浦时，断面形变热效应在提高光斑功率密度的情况下，应比侧泵时显著，但人们在此方面研究较少[6-8]，在国外，2003年Z.xiong在未掺杂的Nd:YVO4发现了显著的断面形变热效应，此时可将应力双折射热透镜效应忽略[9]。国内最早研究断面形变的是上海光机所的程兆谷等人于1995年1月，给出了高功率横流CO2激光器高反膜耦合窗口ZnSe热形变理论和实验研究[10]，在合理近似的条件下导出ZnSe窗口温度分布和热形变的理论表达式。天津工程师范学院的盛朝霞，李凤敏等人利用格林函数解析法，针对高功率激光器中常见的环形分布极光束，计算并分析了由化学氧碘激光器目前比较流行的集中光学材料蓝宝石，石英玻璃，单晶硅组成的窗口镜的温度分布以及热畸变特性[11]。史彭，李隆等人于2005年7月研究了断面抽运矩形截面Nd:GdVO4晶体热效应，以解析分析理论为基础，研究矩形断面Nd:GdVO4受到具有高斯分布的断面中心入射时，激光晶体温度场分布情况和晶体抽运面热变形分布情况。利用热传导的一种新的求解方法，得出了矩形截面Nd:GdVO4晶体温度场的分布和断面热形变场通解表达式，同时对影响激光晶体温度场分布的各种因素进行了定量的研究[12]，史彭等人于2006年通过对LD断面入射复合晶体工作特性分析，建立了符合实际工作情况的热模型，利用热传导方程一种新的求解方法，得出了矩形截面复合晶体的温度场分布和断面热形变场通解表达式[13]。杨永明等人于2007年提出了一种易于实现、高空间精度、实时测量激光端面抽运固体激光器端面热形变的干涉测量方法。在一块热效应非常小的光学玻璃与晶体的抽运面之间形成空气劈尖，利用参考光扫描晶体端面准确的测出了激光二极管端面抽运固体激光器中晶体的端面热形变[14]。张一帅等人于2008年建立了激光晶体的热传导模型，通过求解泊松方程，得到激光晶体内温度和温度分布，计算了端面形变引起的光程差和总的光程差，得到不同抽运功率下的热焦距，并通过实验进行了验证，实验结果与理论计算基本一致[15]。二、课题研究的主要内容及方案设计2．1课题研究的主要内容上世纪90年代发展起来的激光二极管泵浦的全固态固体激光器已成为当今激光器发展的主流[16]，相应的变频技术更引起人们浓厚兴趣。伴随大功率激光器输出功率的大幅提高，大功率激光器的应用也越来越广泛，在激光器系统中产生出了严重的热效应问题。非线性晶体受到高功率密度激光辐射产生非线性极化变频的同时，不可避免地吸收部分基波能量，从而引起晶体通光方向上非均匀温升。其热效应引起的位相失配现象导致激光器的谐波转换效率降低以及输出光束质量的变差。作为消除激光系统热效应的关键基础工作之一是准确得出激光器件在激光动力学过程中产生的温度梯度分布状况。只有得出准确的温度场，才可能为进一步研究非线性晶体的温升导致的相位失配等问题提供理论基础[17-18]。本课题主要涉及到激光器设计，数学建模以及计算机模拟等知识内容的综合运用，可以培养我进行光电设计以及计算机仿真的综合能力，这对我以后从事激光器设计及计算机模拟设计打下良好的基础。2．2课题研究的方案设计首先设计激光器并进行数学建模，通过对倍频晶体的工作特点的分析，利用matlab编程软件对腔内倍频非线性晶体温度分布的三维图像进行分析，得出结论。对腔内倍频非线性晶体温度分布的分析设计方案流程如下图，首先设计激光器并进行数学建模，然后可以通过对激光器中倍频晶体的工作特点进行分析，经过运算建立相应的热分析模型；然后分析影响激光器件温度分布的各种因素，以影响激光器件温度分布的各种因素为前提，结合激光系统的实际特点，用Matlab软件编写程序,对腔内倍频非线性晶体温度分布进行编程运算，得出腔内倍频非线性晶体温度分布的三维图像以及各条件变化时的温度分布，并以此为依据为依据，分析影响腔内倍频非线性晶体内部温度的因素，最后得到结论。建立热分析模型分析影响激光器件温场分布的各种因素用Matlab软件对腔内倍频非线性晶体温度分布进行编程运算算分析腔内倍频非线性晶体各条件变化时的温度分布得到结论对倍频晶体的外部环境及边界条件进行假设三、本课题研究的重点、难点及前期已开展工作3.1研究的重点及难点本课题的重点就是研究腔内倍频非线性晶体热效应。难点在于通过对于全固态激光器件工作特性的分析，建立符合实际特点的热分析模型；结合激光系统的实际特点，分析影响激光器件温场分布的各种因素，特别是用Matlab软件编写程序,对腔内倍频非线性晶体温度分布进行编程运算及实现腔内倍频非线性晶体温度分布的三维图像输出是难点中的难点，这需要我非常了解Matlab软件的程序编写，不能出任何差错，因为如果对热效应的分析不正确，就会直接导致研究失败，所以这对我是一个很大的挑战。3.2已开展的工作熟悉课题内容，收集有关于腔内倍频非线性晶体热效应的研究资料，完成资料准备，从理论角度对腔内倍频非线性晶体热效应进行分析，对其进行初步的了解，并学习Matlab编程软件。四、进度安排（按周次）第一、二周，调研文献，熟悉课题内容，完成资料准备，从理论角度对腔内倍频非线性晶体热效应进行分析，对其进行初步的了解，熟悉Matlab编程软件并完成开题报告。第三、四周，准备开题报告答辩，根据相关资料论证设计方案。第五、六周，完成原理设计、热分析模型建立、并确定最终的分析方案。第七至十周，利用Matlab编程软件对倍频晶体热效应进行编程模拟，分析倍频晶体热效应的分布情况，为之后的解决方案提供前提条件。第十一、十二周，以Matlab编程软件对倍频晶体热效应分布情况为依据，完成所有设计及计算，确定解决方案，并分析其可行性。第十三、十四周，撰写毕业设计论文。第十五、十六周，修改毕业设计论文。第十七、十八周，完成毕业设计论文，查阅资料，找出知识点，准备答辩。五、参考文献[1]高俊超,固体激光介质热效应的理论研究[D].华中科技大,2004:1-3.[2]吕百达.固体激光器件[M].北京:北京邮电大学出版社,2002：2-5.[3]SRIVASTAVAGP,MOHANS.GUPTASC.Self-inducedTempperatureProfileandInhomgeneityEffectonSecondHarmonicGenerationusingFocuseedLaserBeam[J].Opt.Acta,1976,23(9):753-759.[4]克希耐尔.固体激光工程[M].北京:科学出版社,1983:379.[5]克希耐尔.固体激光工程[M].第五版.北京:科学出版社,2002:357-364.[6]张玲.LD侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应研究[J].激光与红外,2003,33(1):37-39.[7]张玲.LD侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应研究[J].北方交通大学学报,2002,26(6):45-47.[8]张行愚.激光二极管抽运的激光器热透镜效应的研究[J].中国激光,2000,27(9):74-77.[9]ZHIGANGG.DetailedInvestigationofThermalEffectsinLongitudinallyDiode-PumpedNd:YVO4Laser[J].IEEEJ.Quant.Electron.,2003,39(8):979-987.[10]程兆谷,程亚,王润温,等.高功率横流CO2激光器高反膜耦合窗口ZnSe热形变理论和实验研究[J].光子学报，1995,1(5):78-82.[11]盛朝霞,李凤敏,郭力.高功率激光器输出窗口热效应的数值分析[J].激光杂志,2005,26(6):25-26.[12]史彭,李隆,甘安生.端面抽运矩形截面Nd:GdVO4晶体热效应研究[J].中国激光,2005,32(7):923-928.[13]史彭,李隆,甘安生,等.LD断面抽运矩形截面YAG-Nd:YAG复合晶体热效应[J].光电子.激光,2006,12(12):57-61.[14]杨永明,徐启明,过振.端面抽运固体激光器中晶体的热形变[J].中国激光,2007,34(10):1323-1328.[15]张帅一,黄春霞,于果蕾等.激光二极管端面抽运激光晶体的热效应[J].2008,35(3):333-337.[16]FanTY,ByerRL.Diodelaserpumpedsolid-statelasers[J].IEEEJQuantumElectron,1988,24(6):895-912.[17]李隆,刘小建,聂建萍,等.全固态多模绿光激光器腔内倍频KTP晶体热效应,红外与激光工程,2011,40(5):831.[18]滑文强.LD端面泵浦激光热效应研究.硕士学位论文.山东:山东师范大学,2010.