一、本课题研究的目的及意义

惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，ICF）^[1]是实现核聚变的主要途径之一，它是在实验室里以强激光为驱动源来实现热核聚变的装置。

在ICF的打靶过程中，晶体主要采用临界相位匹配方法对强激光进行频率转换，由于其具有较低的激光损失阈值和光学走离等现象 ^[2][3]，导致倍频转换效率不高。于是近年来，研究人员对90#176;非临界相位匹配（温度匹配）进行大量研究，发现这种晶体具有较大的有效非线性系数，较小的相位匹配角敏感度，没有光学走离等优点，因此可将非临界相位匹配技术应用到ICF装置中以获得高效、高能量的高频激光。同时，磷酸二氢铵(NH₄H₂PO₄，简称ADP)晶体由于具有更大的非线性光学系数、较宽的接收角、较高的损伤阈值以及高热容和小热膨胀系数的特点而得到学者的青睐，并进行了大量的科学研究，并指出ADP晶体是未来ICF装置中的另外一种备选材料^[4]，并且可以通过非临界相位匹配方法实现较高的倍频转换效率。因此，由于该晶体对温度变化极其敏感，即使0.1℃的微小变化都将很大程度地改变其工作状态，从而影响整个组件的性能。所以为了要在ICF中实现这一功能，需要对非线性晶体进行严格的温度控制。

在ICF装置中，采用90#176;非临界相位匹配技术获得高效、高能量的高倍频激光将成为一种新的趋势，而非线性晶体具有易碎、易潮解、导热系数低且各向异性的特点^[5]，因此，需要一整套完善的控制装置对大口径晶体进行高精度温度控制^[6]。针对晶体的特殊性，在对大口径晶体进行温度控制时将会面临许多困难。比如加热方式以及温度均匀性。在工作过程中，终端光学组件的安装条件、环境温度变化等因素也会对晶体的温度分布有影响。基于上述原因，提出了对非线性晶体进行温度控制，使所设计的装置有俯仰和偏摆功能，并且对晶体进行必要的热分析^[7]。

二、国内外研究现状与发展趋势

2.1非线性晶体温控器研究的现状

针对ICF装置中大口径非线性晶体组件热设计与热分析的研究主要分为三个方面，分别是接触传热研究、非线性晶体温度控制研究和ICF装置中大口径非线性晶体温度控制研究^[8]。激光倍频是一种重要的非线性光学效应，由弗兰克于1961年在红宝石激光器实验中首次发现^[9]。1962年，高德曼等提出相位匹配技术以提高倍频转换效率。随后，研究者发现温度变化会引起倍频晶体折射率改变，导致相位匹配条件破坏，降低倍频转换效率。因此，温度对激光倍频的影响是近年激光研究与应用的热点。

2.2 非线性晶体温控器的发展趋势

为进一步探究温度对倍频效率的影响，国内外学者通过理论、实验和仿真等手段，对倍频晶体进行热效应分析^[10]。研究发现温度波动会破坏相位匹配条件，如ADP晶体相位匹配角会随温度变化而变化，二倍频为50μrad/#176;C，三倍频为200μrad/#176;C，若需将相位匹配角的变化控制在#177;5μRad范围内，则温度变化不能超过#177;0.1℃。研究表明，工作在温度相位匹配模式下的倍频晶体对温度控制要求更高^[11]。工作在此模式下的倍频晶体倍频转换效率与温度存在一一对应关系，当其工作在最佳匹配温度时才能得到最高的功率输出。当晶体温度有0.1℃变化时，倍频效率将有10~20%的变化^[12]。对倍频晶体进行温度和温度梯度控制具有十分重要的意义。因此，温度对激光倍频的影响越来越成为激光研究的热点^[13]。在非线性晶体温度控制方面，国内外学者对晶体的热特性进行了大量的理论和实验研究，但研究中所采用的晶体口径较小（≤20mm），在加热过程中产生的温度梯度往往不予考虑，只控制了晶体某一点的温度值，并未建立热分析模型，研究重点主要集中在材料性质与倍频转换效率方面，对大口径晶体的研究还不够成熟。

三、研究内容