毕业论文腔内倍频非线性晶体热效应的研究毕设论文03545.doc

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1、本科毕业设计(论文)题目：腔内倍频非线性晶体热效应的研究院 （系）： 光电工程学院 专 业： 电子科学与技术 班 级： 080113 学 生： 张攀 学 号： 080113119 指导教师： 刘蓉 2012年 6月摘 要随着应用领域的扩展，人们对于激光二极管泵浦的全固态激光器的要求也越来越高，不仅要求其要有较高的输出功率，而且要有较好的光束质量。然而伴随激光器输出功率的大幅提高，在激光系统中产生出了严重的热效应问题。作为消除倍频晶体热效应的关键基础工作便是准确得出倍频晶体在激光动力学过程中产生的温度梯度分布状况。本文通过对于全固态激光器件工作特性的分析，建立了符合实际特点的热分析模型，利用热传

2、导方程及其满足的边界条件，得到倍频晶体温度场解析的通解表达式。根据所得到的光强分布场和倍频晶体温度场解析的通解表达式以及matlab计算机绘图仿真软件，对激光在倍频晶体中的光强分布场三维图像及倍频晶体KTP、BBO的三维热分布图像进行了绘制，对各个因素的变化相对于倍频晶体温度分布场的影响做了对比分析，得到了各个因素变化所引起倍频晶体温度场变化的对比图，对研究倍频晶体热效应产生的热吸收相对于激光输出的影响和改善激光器性能具有重要的指导意义。关键词：倍频晶体；热效应；热传导方程；温度分布；matlab计算机绘图仿真 The characteristics of intracavity freque

3、ncy-double nonlinear crystal on thermal effectAbstractWith the expansion of the application fields, the demand for DPSSL is increasingly high, not only for a higher output power but a better beam quality. However, with the output power of DPSSL increasing, serious thermal effects are induced. To dim

4、inish the influence of thermal effects in DPSSL and improve characteristic and performance of laser, one of the key works is to obtain accuracy temperature distribution of laser device under the working condition. In this dissertation, through characteristic analysis of laser device (laser crystal a

5、nd nonlinear crystal) in DPSSL, thermal analysis models of laser devices by actual characteristic are introduced. According to the analysis of these thermal modes, the heat conductive equations and its boundary conditions are introduced. And the analytical solution or semi-analytical solution of tem

6、perature field distribution and thermal deformation field are obtained. Based on the light intensity distribution field we got 、 the general expressions of the frequency-double crystal temperature field analytical solution and the Matlab simulation software of computer graphics, we have drawed the l

7、aser frequency-double crystals in light intensity distribution field on 3d images and the 3d heat distribution images of frequency-double crystals KTP and BBO, and each influencing temperature field distribution of the frequency-double crystals, is discussed, and got a contrast figure of the change

8、of the frequency-double crystals temperature distribution, which result from each factors. It has an important guiding significance to the study of the impact of the laser output that results from the heat absorption which is generated from Frequency-doubling crystal, and to improve the laser perfor

9、mance.Key words: frequency-double crystals; thermal effects;heat conductive equations; temperature distribution; Matlab simulation software of computer graphics目 录中文摘要.()英文摘要. ()1 绪 论. (1)1.1前言 .(1)1.2课题研究的背景和意义.(1)1.3热效应的研究状况.(2)1.4 本文主要研究内容.(3)2 腔内倍频非线性晶体热效应的理论研究.(5) 2.1方形非线性晶体热模型的建立.(5)2.2 方形非线性晶

10、体内部的热传导方程及解析分析.(7)3 腔内倍频方形KTP晶体光强分布的分析.(9)4 腔内倍频方形倍频晶体温度场分析.(11)4.1 腔内倍频方形KTP晶体温度场分析.(11)4.1.1腔内倍频方形KTP温度场分布规律.(11)4.1.2基频光功率改变对方形KTP晶体内部温场分布的影响.(13)4.1.3 基频光腰斑大小对方形KTP晶体温度场的影响. (14)4.1.4 环境温度对KTP晶体内温度场的影响.(14)4.2 腔内倍频方形BBO晶体温度场分析.(15)4.2.1 腔内倍频方形BBO晶体温度场分布规律.(15)4.2.2基频光功率改变对方形BBO晶体温度场的影响.(17)4.2.3

11、 基频光腰斑大小对于BBO晶体温度场的影响.(18)4.2.4 环境温度对BBO晶体内温度场的影响.(18)5 结论.(20)参考文献.(21)致谢(23)毕业设计（论文）知识产权声明(24)毕业设计（论文）独创性声明(25)附录(26)1 绪论1.1前言21世纪是科学技术飞速发展的世纪，新兴高科技术的发展更是日新月异。作为光电子技术的核心与平台激光技术的应用已经深入到了生产、科研以及生活的各个领域。 自1961年Franken等用一束波长为694.2nm的红宝石光束通过石英晶体，成功地进行了二次谐波产生的实验以来，非线性光学频率变换以及激光调谐技术一直为人们的研究热点。特别是上世纪90年代发

12、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，相应的变频技术更引起人们浓厚兴趣。而谐波的产生、光参量振荡、光能量的放大等，都必须通过一个好的非线性光学晶体才能实现。目前采用的几种典型非线性光学晶体有：偏硼酸钡( b- BaB2O4，BBO)，三硼酸锂( LiB3O5, LBO )，钛氧磷酸钾( KTiOPO4, KTP)等。非线性光学晶体对于激光器基频光的频率变换方法有腔外变频和腔内变频两种方式。采用腔外变频技术，具有调整灵活、易于拆卸与维修，但是具有频率变换效率低、极易损坏晶体，并且对于与谐振腔匹配条件要求苛刻等缺点。采用腔内变频技术，由于激光谐振腔内振荡的基频光有着相

13、对稳定的模式分布和较高的功率密度，将非线性光学晶体置于腔内束腰位置附近，可获得较高的谐波转换效率，而且谐波光束具有发散角小和模式稳定等特点。人们已利用腔内谐波转换技术，获得了绿光、红光、蓝光、紫光等各种波长的全固态激光器。要提高腔内变频的谐波转换效率也有一定的难度，原因在于非线性光学晶体在谐振腔内吸收基频光的辐射，产生极化频率变换的同时，不可避免的会吸收光能量而发热，从而引起非线性光学晶体通光方向上局部区域内的非均匀温升1 。为降低非线性晶体的温升，通常采用循环水冷或半导体制冷方式对于晶体进行冷却。这样以来，当激光器稳定工作时，腔内基频光功率相对稳定，非线性晶体外部冷却环境温度相对恒定时，便在

14、非线性晶体内部形成一个稳定分布的热温度梯度场。非线性光学晶体内热温度梯度场的分布，会使得晶体内这一区域内的折射率随之而产生不均匀的变化，导致晶体本征位相匹配条件被破坏，不仅严重地影响了非线性光学晶体的谐波转换效率，而且引起腔内基频光偏振状态的改变，从而导致谐振腔内多模振荡。1.2课题研究的背景和意义自从Franken和他的合作者于1961年发现石英晶体非线性光学效应以来，非线性光学取得了极其迅速的发展。陈创天在信息材料的“非线性光学晶体材料”中写道“若没有激光变频、调制、记忆、存储等技术，今天激光技术就不可能在各高技术领域得到这样广泛的应用 2。”随着激光器的不断发展，激光二极管泵浦的全固态固

15、体激光器已成为当今激光器发展的主流3，相应的变频技术更引起人们浓厚兴趣。但是，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4。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5-6。所谓的热效应，就是激光入射倍频晶体后由于晶体的吸收等作用会产生热，热效应包括热透镜效应、热致应力双折射效应7。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

16、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8。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

17、，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。1.3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

18、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9。1983年克希奈尔在固体激光工程10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

19、热效应在激光二极管侧面泵浦时，还是较小，大概6%左右11，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12-14，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15。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16，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激光束，计算并分

20、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17。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18，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

21、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19。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20。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21。1.4本文主要研究内容研究倍频晶体热效应的基础是

22、研究晶体内的温度分布，本文对如何获得腔内倍频非线性晶体内部温度分布以及外界各个因素变化对晶体内部温度分布的影响这一问题进行了深入的探讨和研究，并结合激光系统的实际特点，建立方形倍频晶体的模型来模拟晶体内部的温度，并利用计算机绘图模拟软件进行了相应的模拟，其结果具有一定的指导意义。本文分为五章，主要内如下：第一章 绪论：介绍了固体激光器在如今的利用价值、晶体热效应给激光器的带来的影响、晶体热效应的研究状况以及倍频晶体热效应的研究背景和研究意义。第二章 结合激光系统的实际特点，对方形非线性晶体工作时外部环境以及边界条件进行了相应合理的假设，并在这些假设的基础上建立了方形非线性晶体的热模型，并得到该

23、模型的解析解。第三章 在热模型的基础之上，利用matlab计算机绘图仿真软件，得到了KTP倍频晶体内基频光光强的三维分布、平面分布以及中心处的二维光强分布。第四章 分析了在实际激光器系统设计和应用中，影响非线性晶体内部温度场分布的主要因素有：(1)入射到倍频晶体中的基频光功率的变化；(2)谐振腔腔结构的调整，引起辐射非线性晶体的基频光腰斑大小的改变；(3)非线性晶体周遍冷却环境温度等。利用所得到热模型的解析解以及matlab计算机绘图仿真软件，变换不同的参量数值，对KTP、BBO倍频晶体进行定量分析。第五章 总结：对整篇论文进行了总结、概括和讨论，并指出了其需要改进的地方。2 腔内倍频非线性晶

24、体热效应的理论研究以激光二极管(LD)泵浦的全固态激光系统(DPSSL)为平台发展各种波长的激光器近几年引起人们的广泛关注，如利用BBO、LBO、KTP、CLBO等非线性光学晶体的倍频技术、参量转换技术、周期极化等技术，已经使得DPSSL输出激光波长从深紫外延伸到了中红外的波段范围。谐振腔内振荡的基频光有着较高的功率密度和相对稳定的模式，将非线性光学晶体置于腔内束腰处，可获得较高的谐波转换效率，而且激光器具有输出光束发散角小和模式稳定等特点。激光系统中实际使用的非线性晶体截面大多数为方形（如：336mm3，445mm3）等。非线性晶体内部通过具有TEM00模式的基频光，晶体吸收部分激光能量后除

25、了极化变频产生二次谐波外，在非线性晶体内部同时也产生出具有高斯分布形式的热源。本文在对非线性晶体温度梯度场的研究中，是将方形晶体简化为圆柱形晶体近似处理。得到了方形非线性晶体热分析模型，并获得了方形非线性晶体腔内倍频时一般温度场的解析表达式。并对影响温度场分布的因素进行了研究。2.1方形非线性晶体热模型的建立在激光二极管泵浦的全固态激光器系统中，用于腔内倍频晶体一般为长方体形，通光端面为正方形，如33mm2等。为了尽快地降低非线性晶体中的温升，晶体一般采用周遍冷却措施，依据非线性晶体尺寸设计紫铜夹块，用循环水冷却或半导体制冷的方式对于铜块进行冷却。为了保持非线性晶体与铜块的良好热接触，非线性晶

26、体外侧面涂抹银粉后用铟膜包裹，再置入紫铜夹块中。采用循环水冷非线性晶体的冷却装置正视图，如图2.1.1所示。取笛卡儿直角坐标系，图2.1.2所示为晶体通光工作的侧视图。非线性晶体三边长度分别为a、b、L，基频光束通过截面中心。图2.1.1 循环水冷非线性晶体装置正视示意图图2.1.2 非线性晶体倍频工作侧视图通过非线性晶体实际工作状态分析，建立热物理模型：非线性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，即通过非线性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，则非线性晶体内部产生的热量通过热传导方式被紫铜冷却块带走，这样在非线性晶体内部便会形成一个相对稳定的温度场分布。通过

27、激光谐振腔非线性晶体工作特点的分析，建立晶体的热分析模型。(1)对方形倍频晶体进行圆形近似，从而简化条件。(2)非线性晶体的两个通光端面满足绝热条件。由于非线性晶体的热导率较大,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。(3)假设通过非线性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，辐射非线性晶体的基频光光强分布的表达式为： (2-1)式中, a,

28、b为晶体边长， I0是归一化的基频光强， w是光束腰斑半径。由于非线性晶体内的基频光强度远大于倍频光光强度，又由于非线性晶体对基频光的吸收率也远大对倍频光的吸收率，因此，可忽略非线性晶体吸收倍频光所产生的热量，这里仅考虑非线性晶体吸收基频光能量产生的热量。由吸收定律，可得非线性晶体内的热功率密度为: (2-2) (4)谐振腔内振荡的基频光光强度具有不变性。由于非线性晶体对基频光的吸收率较小，晶体通光长度较短 (一般只有3mm5mm左右)，因此可忽略由于非线性晶体吸收引起的基频光能量衰减，并假设基频光穿过非线性晶体后其光强保持不变。2.2 方形非线性晶体内部的热传导方程及解析分析在截平面内，非线

29、性晶体吸收基频光能量产生的热量， 属于内部有热源问题，内部热传导遵守Poisson方程。在柱坐标系中Poisson方程表达式为： (2-3)其中：qv 为热功率密度，即单位体积内非线性晶体的发热率；l 为非线性晶体导热系数或称为热导率。由于是将方形非线性晶体近似成圆形非线性晶体，所以该热模型具有轴对称性，产生的热流线只沿非线性晶体的径向传播，则有 , (2-4)温度场函数u ( r, j, z )可简化为 (2-5)内部有热源的Poisson方程可简化为： (2-6)在截平面上，得出导热方程的通解： (2-7)由于在非线性晶体内部，径向0 r b 区内有热源，b r R区内无热源，设这两个区内

30、温度场分别为u1、u2, 分区分析：在0 r b 区中，热功率密度为常数，则 (2-8)其中 b 为非线性晶体的吸收率，IW 为谐振腔内基频光光强，I 为基频光光强密度。由于为常数，由(2-7)式得： ( 0 r b ) (2-9)由于温度场在r = 0 处有限，得C3 = 0 (2-10)温度场u1的表达式为： ( 0 r b ) (2-11)在b r R区中，热功率密度 q v = 0 ，得 ( b r R ) (2-12)边界条件：r = R 处有 u ( R ) = 0 ，则 (2-13)得 ( b r R ) (2-14)连续条件：在 r = b 两边非线性晶体介质相同，则可得 (2

31、-15)连续条件：在 r = b 处温度场一致连续 u 1 = u 2则有 成立，故 (2-16)于是可以得到截平面整个区域内的温度场分布的解析解表达式： (2-17)式中b为截平面热源半径，为截平面场点到原点的半径，为截平面上的温度场。3 腔内倍频方形KTP晶体光强分布的分析取KTP倍频晶体截面几何尺寸为3mm3mm5mm，入射到KTP晶体的基频光斑腰斑w为100mm，谐振腔内基频光功率5W。将已知参量带入公式(2-1)，利用matlab计算机绘图仿真软件对方形倍频晶体光场分布进行仿真，得到图3.1倍频晶体KTP内的光强分布三维图；图3.2倍频晶体KTP内的二维光强平面分布图；图3.3 x

32、= a / 2时倍频晶体KTP光强随 y 变化图。光强分布图如下：图3.1倍频晶体KTP的三维光强分布图图3.2倍频晶体KTP的二维光强平面分布图图3.3倍频晶体KTP的二维光强分布图分析以上三幅图可知，入射到KTP倍频晶体的基频光功率为5w、波长为1064nm，由于KTP晶体对1064nm波长的吸收率非常小(b = 0.6 %cm -1)，所以基频光功率在倍频晶体中衰减极小，这也正好验证了第二章基频光在倍频晶体中光强不变的假设。 4 腔内倍频方形倍频晶体温度场分析在实际激光器系统设计和应用中，影响非线性晶体内部温度场分布的主要因素有：(1)入射到倍频晶体中的基频光功率的变化；(2)谐振腔结构

33、的调整，引起腔内振荡基波模式的重新分布，同样引起辐射非线性晶体的基频光腰斑大小的改变；(3)非线性晶体周遍冷却环境温度等。分析这些因素对晶体内部温度场的影响时，将相关数据带入公式 (2-17)中，变换不同的参量数值，可以进行定量分析。4.1 腔内倍频方形KTP晶体温度场分析在众多适于LD泵浦的激光晶体和非线性光学晶体中，Nd:YVO4 / KTP的组合方式一直受到人们的喜爱，被广泛应用于激光倍频、光参量振荡与放大和光波导等技术领域22-26。KTP为双轴晶体，具有非线性系数大、透光波段宽、不潮解、破坏阈值高等特点。腔内倍频时，KTP晶体一般采用II类相位匹配方式，切割匹配角为=90，=23.6

34、。II类相位匹配不仅要求基频光满足偏振匹配条件，及基频光在晶体中分解出的两个偏振光数值相等、方向相互正交，而且要求晶体在腔内起l / 2波片的作用，否则会破坏腔内基频光的偏振态，还会使倍频效率降低。KTP晶体对1064nm波长的吸收率 b = 0.6 %cm -1，径向热导率l = 0.13 W / cm / K。在谐振腔中，通过优化谐振腔参数，使辐射KTP晶体端面的光束处于谐振腔束腰位置。取KTP晶体的尺寸为335mm3，光束半径b 为 0.1 mm。假设腔内振荡的基频光功率P为5W，强度均匀分布在辐射通光方面上。由辐射面积为，可得到辐射KTP晶体的热源功率密度为： (4-1)代入(2-17

35、)式并利用matlab计算机绘图仿真软件对方形倍频晶体光场分布进行仿真，得到在基频光中心辐射下KTP晶体温度场三维立体图、二维平面分布图以及x=a/2（a为晶体截面x轴的长度）处的二维分布图、功率改变时的温度分布图、光束半径改变时的温度分布图、冷却温度改变时的温度分布图。4.1.1腔内倍频方形KTP温度场分布规律取KTP晶体半径几何尺寸为3mm3mm 5mm，入射到晶体的基频光斑腰斑w为100mm，谐振腔内基频光功率5W，外部冷却温度为150C。图4.1.1、图4.1.2 分别给出了KTP晶体温度场的三维图和KTP晶体温度场的二维平面图。图4.1.3给出了当x = a / 2时晶体温度随 y

36、变化图。图4.1.1 方形KTP倍频晶体三维温度场分布图图4.1.2 方形KTP倍频晶体平面温度场分布图图4.1.3方形KTP倍频晶体内部x = a / 2处温度场随 y 的变化图4.1.2基频光功率改变对方形KTP晶体内部温场分布的影响KTP晶体尺寸和激光器谐振腔结构以及冷却温度维持不变，即基频光在谐振腔内的分布保持不变。单调整激光二极管激光器的泵浦功率，使得激光器谐振腔内振荡的基频光功率发生改变，图4.1.4给出了当腔内基频光功率分别为5W、10W、15W、20W时，KTP晶体内部通光轴处温度场分布的对比图。图4.1.4不同基频光功率时KTP倍频晶体内部温度场分布对比图4.1.3基频光腰斑

37、大小对方形KTP晶体温度场的影响KTP晶体尺寸以及外部冷却温度保持不变，固定激光二极管的泵浦功率，即KTP晶体吸收基频光功率为5W时，调整激光谐振腔结构，如果辐射到KTP晶体基频光腰斑大小不同时（w分别为0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm），在KTP晶体x= a /2处温度分布对比图如图4.1.5所示。图4.1.5不同基频光半径时KTP倍频晶体内部温度场分布对比图从图4.1.5显示结果可以得出基频光腰斑影响区域较小，仅仅影响到晶体通光附近部分的温度场。并且基频光腰斑越小，晶体通光中心处的温升越高。4.1.4 环境温度对KTP晶体内温度场的影响KTP晶体采取了强制冷却的方式，以降低晶

38、体内的温升，如果冷却环境温度不同，晶体内部的温场分布便不同。取KTP晶体尺寸为335mm3，吸收基频光功率为5W，入射到晶体内的腰斑w为0.1mm时，图4.1.6给出了KTP晶体冷却环境温度不同时，晶体内部x= a /2截面处温度场的分布对比图（冷却温度为150C, 170C, 200C, 230C）。图4.1.6环境温度对KTP倍频晶体内温度场的影响对比图从图4.1.6可以得出KTP晶体内部温度场整体随冷却环境温度同步变化。冷却环境温度增高，KTP晶体内部温度场整体增高。4.2 腔内倍频方形BBO晶体温度场分析非线性晶体BBO（偏硼酸钡）由我国中科院福建物质结构所发明，也是迄今为止用于紫外波

39、段波长变换最优良的非线性晶体之一。并且以其优良的物理和光学特性，广泛地应用于掺Nd3+离子、氩离子、染料、钛宝石等各种激光器中，作为二次、三次、四次等谐波的产生27-32。其中二次谐波产生通常使用的是激光器内腔倍频方式。BBO晶体对1064nm波长基频光的吸收率b = 0.001cm -1，垂直光轴方向热导率l = 1.2 Wm-1V-1。在DPSSL系统中，影响BBO晶体温度场分布的主要因素有：腔内振荡的基频光功率变化；入射到晶体的基频光腰斑大小；周遍冷却环境温度等。分析这些因素对晶体内部温度场的影响时，将相关数据带入温度场计算表达式，更换相应的参量值，可计算出相应的温度场分布。4.2.1

40、腔内倍频方形BBO晶体温度场分布规律取BBO晶体半径几何尺寸为3mm3mm 6mm，入射到晶体的基频光斑腰斑w为100mm，谐振腔内基频光功率5W，外部冷却温度为150C。图4.2.1、图4.2.2 分别给出了BBO倍频晶体温度场的三维图和BBO倍频晶体温度场的二维平面图。图4.2.3给出了当x = a / 2时BBO倍频晶时晶体温度随 y 变化图。图4.2.1 方形BBO倍频晶体三维温度场分布图图4.2.2 方形BBO倍频晶体平面温度场分布图图4.2.3方形BBO倍频晶体内部x = a / 2处温度场随 y 的变化图4.2.2基频光功率改变对方形BBO晶体温度场的影响在其它条件与图4.1.4

41、相同，图4.2.4 给出当谐振腔内振荡的基频光具有不同的功率时，对于BBO晶体温度分布的影响。从图4.2.4中可以得出基频光功率基本上与晶体中心处的温升成正比。图4.2.4当基频光功率不同时BBO倍频晶体内的温度场分布对比图4.2.3 基频光腰斑大小对于BBO晶体温度场的影响在其它条件与图4.1.5相同，图4.2.5给出了如果入射到BBO晶体端面的基频光腰斑大小改变时，对BBO晶体内部温度分布的影响。从图4.2.5中可以得出基频光腰斑大小仅影响晶体中心附近的温度场，且腰斑越小，BBO晶体通光光轴中心处的温升越大。图4.2.5 不同基频光半径时BBO倍频晶体内的温度场分布对比图4.2.4 环境温

42、度对BBO晶体内温度场的影响BBO倍频晶体采取了强制冷却的方式，以降低晶体内的温升，如果冷却环境温度不同，晶体内部的温场分布便不同。取BBO倍频晶体尺寸为336mm3，吸收基频光功率为5W，入射到晶体内的腰斑w为0.1mm时，图4.2.6给出了BBO倍频晶体冷却环境温度不同时，BBO倍频晶体内部x= a /2截面处温度场的分布对比图（冷却温度为150C, 170C, 200C, 230C）。图4.2.6环境温度对BBO倍频晶体内温度场的影响对比图5 结论在非线性晶体倍频过程中，会将一部分吸收的光能量转换成热能，从而使晶体内部的温度上升，因此研究倍频晶体内的温度变化是具有相当实际应用价值的。本文

43、首先对方形倍频晶体外部环境和边界条件进行假设并建立了了与之相适应的热模型，然后模拟了低功率基频光作用下的温度分布。经过对模拟结果的分析得到如下结论：1当基频光入射到倍频晶体后，发现倍频晶体中心温度最高，周边温度逐渐降低，其温度成高斯分布，其温度的变化受到很多外界因素的影响。2 BBO晶体的吸收率比KTP晶体的吸收率低，所以KTP晶体将吸收的能量转换成热能要比BBO晶体的多，但是，由于BBO晶体的热导率比KTP晶体的低的多，所以其散热的性能比KTP晶体差很多，因此，在相同的条件下，BBO晶体内的温度还是要比KTP晶体内的温度高。3保持倍频晶体尺寸和激光器谐振腔结构以及冷却温度不变，即基频光在谐振

44、腔内的分布保持不变。单调整激光二极管激光器的泵浦功率，使得激光器谐振腔内振荡的基频光功率发生改变，可以得到基频光功率基本上与晶体中心处的温升成正比。4保持倍频晶体尺寸以及外部冷却温度保持不变，固定激光二极管的泵浦功率，调整激光谐振腔结构，当辐射到倍频晶体基频光腰斑大小不同时，可以得到基频光腰斑大小仅影响晶体中心附近的温度场，且腰斑越小，倍频晶体通光光轴中心处的温升越大。5. 倍频晶体采取了强制冷却的方式，以降低晶体内的温升，如果冷却环境温度不同，晶体内部的温场分布便不同。保持倍频晶体尺寸和激光器谐振腔结构以及基频光功率不变，即基频光在谐振腔内的强度和分布保持不变。可以得到倍频晶体内部温度场整体