终端光学组件大口径倍频晶体的温度分布特性研究

摘要

在惯性约束聚变装置（ICF）中，为获得短波长激光，需使用大口径倍频晶体对激光进行倍频。以往倍频过程中所使用的角度相位匹配接收角较小，并且会带来走离效应等问题，因此具有较宽接收角的非临界相位匹配开始受到重视。由于该匹配条件下，倍频晶体的转换效率对温度的变化表现出高敏感性，仅当其工作在最佳匹配温度时才能获得高倍频转换效率，因此需对其进行精确温度控制。ICF装置上使用的倍频晶体在几何形状上具有口径大、厚度薄的特点，为保证通光口径，仅晶体外围能用于热传导；同时其导热系数低且易碎易潮解，温控难度大。为保证倍频晶体在全口径上温度分布均匀一致，本文分析其传热过程，并通过仿真分析和实验研究的方法，探究相关因素对大口径倍频晶体温度分布特性的影响，得到了不同条件下装置整体温度分布的规律，为其结构参数及热性能参数的选取提供了依据。
　　本文在总结倍频晶体温控技术及其相关热分析的前提下，基于终端光学组件四倍频模块，首先对该模块中结构及流体流动传热过程进行分析，构建了腔体内部为常压条件下和真空条件下的传热理论模型，并据此建立了相应的流-固-热耦合仿真模型。使用有限容积法（FVM）对模型进行离散求解。通过仿真分析，对比了腔体内部分别为常压和真空时，不同温控方案下模型整体的传热特点。根据所得结果，以晶体温度达到稳态所需时长及其分布均匀性为标准，实现了对两种条件下温度控制方案的优选。
　　在真空条件下，采用晶体框内通入循环水进行温控，对影响传热过程的主要因素，如晶体框水流速度、晶体口径和入水口温度等开展仿真研究，分析并得到了各因素对晶体温度稳定所需时长和稳态温度分布的影响规律。基于终端光学组件四倍频模块，搭建了测温实验平台，通过红外热像仪获取整个晶体面的温度分布，并将所得实验结果与仿真结果进行对比验证。
　　在常压条件下，研究了装置外壁面对流传热系数、壁面内循环水流速、壁面水道排布密度、入水口温度以及晶体框水流速度等因素对倍频晶体温度分布的影响规律。以晶体温度差值不超过±0.1℃为标准，得到各设计参数的临界值。进行测温实验时，通过高精度温度传感器测量不同入水口温度下晶体所能达到的稳态温度，并据此建立了晶体稳态温度与入水口温度之间的关系。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 倍频晶体温控技术研究进展

1.3 本文的主要研究内容

第2章 大口径倍频晶体温度的计算与温控方案设计

2.1 传热过程分析及控制方程

2.2 流-固-热耦合模型的建立及求解

2.3 晶体温控方案设计

2.4 本章小结

第3章 真空条件下晶体温度分布特性研究

3.1 模型求解及数值误差分析

3.2 晶体框内水流速度对晶体温度分布的影响规律

3.3 晶体框内水流温度对晶体温度分布的影响规律

3.4 晶体口径对晶体温度分布的影响规律

3.5 测温平台的搭建与实验结果分析

3.6 本章小结

第4章 常压条件下晶体温度分布特性研究

4.1 边界条件分析及模型求解

4.2 腔体壁面热性能对晶体温度分布的影响规律

4.3 晶体框内水流速度对晶体温度分布的影响规律

4.4 常压条件下实验结果分析与对比

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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