平板微流道流场-热-光耦合机理研究

Direct-liquid-cooled solid-state laser is the most potential laser being developed with high power, high efficiency, and good beam quality, which has found important application prospects in industry, scientific research, and national defense. This project will focus on the time-space complex changing processes of flow field, thermal field and wavefront aberration within Direct-liquid-cooled solid-state laser, in order to reveal the coupling mechanism between the flow field, thermal field and optical field, and the time-space characteristics of the optical field. The Study will be carried out through theoretical modeling, numerical simulation and experimental measurement methods, and the contents include the following aspects: (1) To develop direct numerical simulation numerical method and experimental program for the flow-thermo-optical coupling convection heat transfer within the microchannel of the direct-liquid-cooled gain medium; (2) To reveal the transition characteristics and laws from laminar flow to turbulent flow in the conditions of the gain medium’s real wall roughness, and study the influences of structural parameters on the flow characteristics; (3) To study the influences of flat microchannel’s design parameters and operating parameters on the cooling capability and laser distortion; (4) To study the coupling relationship between wall’s thermal characteristics and microchannel’s hydrodynamic characteristics, and its influence on optical distortion. The research achievement will have important academic and application values.

直接液冷固体激光器是最有潜力发展为高功率、高效率和高光束质量激光器，在工业、科研和国防等领域有重要的应用前景。本项目以直接液冷固体激光器中流场、热场、像差的时间空间复杂变化过程为研究对象，旨在揭示其增益模块中平板微流道流场、热场和光场之间的耦合作用机理和光场特性的时空变化规律。拟采用理论建模、数值模拟与实验测量相结合的方法，具体研究内容如下：（1）建立适于直接液冷增益介质微通道对流换热的流-热-光耦合直接数值模拟计算模型和实验测量方法；（2）揭示激光增益介质实际壁面粗糙度影响下层流向湍流转捩的特性和规律，研究结构参数对流态特性的影响规律；（3）研究平板微流场设计参数和运行参数对冷却能力和激光畸变的影响；（4）研究微通道壁面热学特征和流场力学特征间的耦合关系及其对光学畸变的影响规律。相关研究成果有重要的学术价值和应用价值。

直接液冷多薄片固体激光器采用“浸入”式冷却方案，将固体薄片激光工作介质浸泡在液体冷却液中，通过减小单片增益介质厚度并增加薄片数目的方式，增加对流换热比表面积进而强化换热，使激光增益介质能够承受较高的抽运功率密度，大幅降低固体材料所受热应力，保证了高功率输出的可行性。该类激光器具有系统紧凑、质量功率比小、易于轻量小型化等优点，在工业、科研和国防等领域有重要的应用前景。但因为增益模块内流体流动，导致激光传输过程产生不同于传统固体激光器的高阶波前畸变，严重影响了激光器输出激光质量，是直接液冷多薄片固体激光器面临的主要技术问题。.本项目针对浸入式直接液冷薄片激光器光束质量差的瓶颈问题，从研究增益模块内增益介质间平板微通道内的流动换热过程入手，搭建了激光器增益模块微米尺寸平板通道的流场、温度场、光束质量测试平台，实验发现了直接液冷薄片激光器的streamer效应，并分析出微通道内的非均匀流动状态是输出激光高阶波前畸变的主要原因；为精确计算平板微通道内的流动状态，本项目开发了牛顿流体和黏弹流体的直接数值模拟（DNS）技术，用以获得不同高度和表面粗糙度情况下的转捩雷诺数；为实现微通道内均匀流动，本项目分析了通道入口流场分布对通道内流动均匀性的影响，设计了增益模块前置段整形结构；在此基础上，本项目综合考虑了增益模块内流体流动、增益介质及流体的传热、固体热应变、热光效应、激光光程等物理过程，开展了激光器增益模块内流-热-固-光耦合模拟，并基于遗传算法对增益模块微通道结构进行了优化设计，最终实现了streamer效应的有效抑制。本项目的相关成果，可以为大功率高质量的浸入式直接液冷薄片激光器的开发设计提供理论支撑和实验验证。