腔内倍频非线性晶体热效应的研究中期报告.doc

毕业设计（论文）中期报告 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 姓 名 学 号 导 师 设计（论文）进展状况 1、倍频晶体热效应的理论研究 随着研究的深入，在大量收集和分析有关于腔内倍频非线性晶体热效应的研究资料之后，我对本课题已经有了深入的了解，并从理论角度对腔内倍频非线性晶体热效应进行了分析，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。 1.2、非线性倍频晶体的光强分布方程及热传导方程 在对各种初始条件及边界条件进行假设之后利用泊松方程得出了腔内倍频非线性晶体热效应的热传导方程，热模型及假设条件为降低谐振腔内倍频晶体KTP的温升对于晶体采取了强制冷却的措施。通常的方法是:根据选用的晶体尺寸设计紫铜冷却夹块用循环水冷方式或半导体冷却方式对紫铜块进行冷却。为了保障KTP晶体与紫铜块之间有良好的热传导方式可在KTP晶体四周涂抹银粉用铟膜包裹再在铟膜外测涂抹导热硅脂最后放置于紫铜块中。 KTP晶体的外部由于施加了冷却措施,当晶体处于稳定工作状态即通过KTP晶体的基频光功率稳定晶体外部冷却环境温度相对稳定时则KTP晶体内部产生的热量通过热传导方式被紫铜冷却块带走这样在KTP晶体内部便会形成一个相对稳定的温度场分布。通过激光谐振腔KTP晶体工作特点的分析建立晶体的热分析模型(1) KTP晶体的两个通光端面满足绝热条件。由于KTP晶体的热导率较大与空气热交换系数较小经过晶体侧面以热传导方式流出的热量远大于端面和空气以热交换方式流失的热量因而可忽略从晶体两个通光端面流失的热量故晶体的两个通光端面处于绝热状态。 (2)假设通过KTP晶体的振荡的基频激光具有理想的TEM00模式分布。一般激光器可通过选用行波腔结构、扭摆模腔技术或腔内安插小孔光阑等方式控制腔内振荡的基频光具有TEM00模式。因此辐射KTP晶体的基频光光强分布的表达式为： 式中a，b为晶体边长 I0是归一化的基频光强 w是光束腰斑半径。由于KTP晶体内的基频光强度远大于倍频光光强度又由于KTP晶体对基频光的吸收率β也远大对倍频光的吸收率因此可忽略KTP晶体吸收倍频光所产生的热量这里仅考虑KTP晶体吸收基频光能量产生的热量。由吸收定律可得KTP晶体内的热功率密度为　　　　　 qv( x, y) = I ( x, y)β (3)谐振腔内振荡的基频光光强度具有不变性。由于KTP晶体对基频光的吸收率 (β= 0. 006cm- 1)较小晶体通光长度较短 (一般只有3mm～5mm左右 )因此可忽略由于KTP晶体吸收引起的基频光能量衰减,并假设基频光穿过KTP晶体后其光强保持不变。 晶体内部的热传导方程及解析解KTP晶体因吸收基频光能量而产生的热量,则在KTP晶体内部遵守Poisson方程uxx+ uyy+ uzz= - qv/λ 式中 qv为KTP晶体内的热功率密度即单位体积内的发热率λ为KTP晶体的径向导热系数或热导率。由于腔内基频光光强具有不变性以及KTP晶体的两通光端面满足绝热等条件 KTP晶体内部产生的热量从侧面通过热传导流出则在建立的热模型中KTP晶体内部热流线垂直于z轴即温度场分布与z轴无关, u ( x, y, z) = u ( x, y )。Poisson方程可以简化为uxx+ uyy= - qv/λ 1.3非线性倍频晶体内部的光强分布 在此之后，我又对Matlab编程软件进行了全面的学习，现在已经基本掌握了程序的编写，并且做了非线性倍频晶体内的光强分布进行了仿真，倍频晶体光强分布程序设计以及仿真图像如下： w=0.1;%束腰半径 a=3;%倍频晶体截面在x轴上的长度 b=3; %倍频晶体截面在x、y轴上的长度 I0=0.1; %基频光强 x=0:0.01:3; y=0:0.01:3; [x,y]=meshgrid(x,y); %在[0,3]*[0,3]区域生成网格坐标 z=I0*exp((-2*((x-(a/2)).^2+(y-(b/2)).^2))/w^2); mesh(x,y,z);