流动碱金属蒸气激光器建模与仿真研究

半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)兼具固体和气体激光的优势,具有高量子效率、气相介质可循环流动散热、无单口径输出功率极限、全电操作、轻质紧凑、原子发射谱线处于近红外波段具有良好的大气透过性,是极具发展潜力的新型高能激光光源。在高功率泵浦条件下,DPAL需要进行气体循环流动散热,目前美、俄均已实现流动介质DPAL出光实验(Flowing DPAL,FDPAL),但相关理论研究仍处于起步阶段,对FDPAL进行流场参量设计和气动效应研究亟需建立较为完备的理论模型。基于上述发展的需求,本文建立了FDPAL理论模型,对激光器流场参量设计和气动效应展开了研究,对深化FDPAL流速设计需求、进行激光器参量设计提供有效指导。本文内容主要包括以下几个方面:1、基于文献参数对DPAL的热效应进行定性分析,指出DPAL虽然具有低量子亏损,但高泵浦强度和强自发辐射等因素仍然会导致显著的热功率密度和温度的升高,需要建立光场—流场耦合的理论模型进行描述。本文考虑适合于DPAL功率定标放大的激光器泵浦、激射与流动结构,引入物质导数对流场的描述思路,首次建立三维的、光场—流场耦合的、能够同时描述FDPAL主要激光动力学过程和主要流场参量空间分布特征的理论模型,包括气动方程组、速率方程组和泵浦光与激光传输方程组。2、基于端面泵浦纵向流动DPAL结构,对上述方程组进行简化,提出具有快速收敛特性的迭代数值算法,分析了流速对激光器效率、温升等主要参量及其沿流场方向空间分布特征的影响,研究并初步明确了端面泵浦纵向流动DPAL的流速需求,处于亚音速流区域,易于实现。3、基于更易于功率定标放大的端面泵浦横向流动结构,提出混合编程迭代求解思路,利用Matlab求解激光速率方程组,利用有限元分析软件求解流场方程组,提出具有高计算精度和快速收敛特性的迭代算法,能够得到激光器效率以及荧光损耗、电子态猝灭、量子亏损、散射损耗等泵浦能量转化信息,同时得到光场与流场主要物理量沿流场方向的空间分布特征。分析了该泵浦结构条件下流速对激光器性能的影响,能够对端面泵浦横向流动结构DPAL设计提供有效指导,并进行了兆瓦级FDPAL概念设计。