热容模式下激光介质的动态光学畸变

 开展了热容模式下激光介质动态光学畸变研究，初步分析了温度梯度、光弹效应及介质端面变形对整个波前畸变带来的影响，并将光学畸变转化为谐振腔损耗，数值模拟了热容激光器输出功率随时间的变化规律，模拟结果表明：当激光器工作温度低于400 K时，由粒子数玻耳兹曼分布引起的功率下降可以忽略，动态热效应是实验中热容激光器输出功率随时间快速下降的原因。     

片状热容激光器热效应有限元分析

 基于激光介质的非均匀内热源模型，利用有限元数值方法，模拟计算了热容模式下高功率激光二极管阵列(LDA) 重复脉冲泵浦片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:热容模式下，当增益介质不能够被全口径泵浦时，也会出现严重的热效应，介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中，介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随泵浦光斑尺寸缩小而增大；而当全口径泵浦时，介质表面热形变大大减弱，较小的拉应力存在于介质内部，而且泵浦光斑和介质的几何形状对热分布有很大影响。结果还表明，介质片表面变形和热光效应是产生波前畸变的主要原因，而热应力双折射产生的附加相移与激光介质的切割方向有关，它对光束产生较大的退偏作用，从而影响激光器的输出性能。理论模型得到了实验结果的验证。     

二极管泵浦Nd:YAG圆片激光技术研究

介绍了热容激光技术的发展历史及现状,介绍了固体激光器热容方式工作的基本原理,报道了二极管泵浦NdYAG圆片激光器热容方式工作的实验结果.用热像仪测量了激光器工作时增益介质通光面上的温度分布特性;采用干涉测量的方法测量了工作中的增益介质的与光束传输方向相垂直的方向上的折射率分布特性;结果表明片状固体增益介质热容方式工作对振荡光束波前畸变影响很小.给出了与光束传输方向相垂直的截面上增益介质的荧光分布.得到输出平均功率达47.5 W,此时的光-光转换效率为17%.     

双色膜V形有源镜结构的固体热容激光器输出特性

 为了避免片状布儒斯特角结构热容激光器由热退偏造成的腔内高动态损耗，采用双色膜技术研制了V形有源镜结构固体热容激光器。该激光器采用曲率半径为5 m的平凹稳定腔结构，共8片Nd:YAG介质，每片介质表面采用双色膜层设计，每2片构成一个模块，由3支氙灯提供能量，激光器由4个模块构成。在双色膜层上，泵浦光透过率大于95%，对1 064 nm光波反射率大于99.7%。在1 ms脉宽重复频率运转条件下，激光输出随时间下降并渐趋平稳；在5 ms脉宽运转时，单脉冲输出47 J，输出峰值功率达9.4 kW，与计算得到的10.11 kW的峰值输出基本相符。该振荡器的总体电光效率达到了1.2%，通过进一步优化后，具备向更高功率定标放大的潜力。     

固体热容激光器冷却方式的数值模拟

 固体热容激光器连续运转一段时间后，需要进行冷却，以进行下一次运转，因此冷却速度直接影响着热容激光器运转的效率和实用性。从热传导方程出发，以沉积热为内热源模型，利用有限元分析方法对激光二极管阵列从4个方向对称泵浦的板条Nd:GGG激光介质的温度场和和热应力场进行了数值模拟。并对冷却阶段分别采用过冷气体、水循环、喷雾、相变冷却方式时的介质温度和应力随时间变化过程进行了模拟。结果表明在相同条件下采用相变冷却方式能在较短时间内将介质冷却到初始温度。     

重复频率Nd:YAG薄片激光器的时间特性

为了研究固体激光器弛豫振荡的时间特性,针对高功率大口径Nd:YAG薄片激光器,从工作物质的能级结构和离子跃迁过程出发,采用四能级速率方程模型,综合考虑泵浦速率、损耗因子、温度等因素对激光器起振延迟时间的影响,建立了速率方程组,推导出激光起振延迟时间的数学表达式,模拟分析了泵浦速率、损耗因子、温度对激光起振延迟时间的影响。为验证理论分析结果,在kW级重复频率运行V型腔Nd:YAG薄片激光器上开展了实验研究。在泵浦电流分别为34,40,50,70 A时测量了反应谐振腔内光子数和反转粒子数变化的弛豫振荡曲线。并测量了在泵浦电流为30~80 A情况下的激光器起振延迟时间。实验结果表明起振延迟时间随泵浦速率的增加而减少,与理论分析结果一致。     

千瓦级二极管泵浦热容固体激光器

热容激光器与常规的高功率固体激光器的本质区别是激光介质的热管理方式不同，常规高功率固体激光器是边工作边冷却，而热容式激光器采用了工作时间和冷却时间相分离的热管理模式。因此热容激光器不再受介质断裂极限限制，可提高平均输出功率，同时由于工作时介质内部不存在显著的温差、热应力，可有效减小光程畸变提高光束质量。     

二极管泵浦300 W热容固体激光器

开展了热容二极管泵浦固体激光器理论和实验研究,针对热容工作模式下工作物质的激光特性进行了初步分析,数值模拟了激光介质增益分布及温度场、应力场分布,初步完成了热容激光器实验平台的建立,在平均泵浦功率1.25 kW的激励条件下获得了大于300 W的激光输出,连续出光时间为5 s,占空比为15%,光-光转换效率约为25%.     

LD端面泵浦薄片激光器的温度和热应力分布研究

为了分析薄片激光器的热效应,建立了LD端面泵浦薄片激光介质的数值模型。考虑到介质与空气的对流换热和介质材料的热力学参数随温度的变化,根据经典热传导方程和热弹性方程,运用有限单元法,得出了介质内温度和热应力的时空分布,分析了温度和热应力与泵浦功率、换热系数和时间的变化规律。模拟结果表明:热破坏主要为前表面光斑外侧的拉伸破裂;温度和应力的上升时间和热恢复时间随泵浦功率的变化不是很明显,随换热系数的增大而减小,但随着换热系数的增加,温度和应力的变化越来越小。     

半导体激光泵浦复合晶体固体激光器的热效应

为了验证复合晶体使用到半导体泵浦的固体激光器中与非复合晶体的区别,提高半导体泵浦的固体激光器的工作效率,开展了半导体激光泵浦YAP/Tm∶YAP复合晶体固体激光器的热效应的验证实验。采用有限元分析法,模拟了晶体温度及热应力的分布,并分析了热透镜长度的变化情况。结果发现,与非复合晶体相比,复合晶体的温度和热应力均有不同程度的下降,复合晶体工作时的最高温度降至其80%,热应力降至其70%。同时也验证了热透镜焦距不随非掺杂晶体长度的增大而改变,这也意味着复合晶体不能有效提高复合激光的光束质量,但是可以确保输出激光光束质量的稳定性。因此可以证实,使用复合晶体能够有效改善激光器的温度和力学特性,但不能优化固体激光器的光束质量。     

双端抽运热容激光器温度特性分析

通过对激光二级管阵列双端抽运热容激光器晶体的分析,建立了热传导模型及边界条件.利用有限元方法模拟了晶体的温度场分布,并分别对抽运光斑直径、抽运持续时间、抽运光强和晶体端面尺寸等因素对温度场分布的影响进行了分析,得到了热容工作模式下的激光器温度特性.结果表明,晶体端面温差随抽运光斑直径的增大先增后减,存在一个极大值,并且在不同抽运光强下,出现端面温差极大点时的抽运光斑直径不变.     

Semianalytical thermal analysis of rectangle Nd:GGG in heat capacity laser

Based on the theory of anisotropy semianalytical thermal analysis, the temperature field of rectangle Nd:GGG heat capacity laser crystal is investigated. Through an analysis of the working characteristics of the heat capacity laser crystal, a thermal model of heat capacity laser crystal is established. Using a new method for the anisotropic medium heat conduction equation, a temperature field expression of rectangle Nd:GGG heat capacity laser crystal for pumping stage and cooling stage is obtained, respectively. These results show that when using the output power of 300 W LD end-pumped rectangle Nd:GGG crystal for 10 seconds, the maximum temperature rise in the center of the pump face is 180.18°C, and after stopping pumping for 100 seconds, the maximum temperature rise drops to 0.74%. These results from this work provide a theoretical basis for the optimized design of a LD end-pumped heat capacity laser.     

热容型大功率半导体激光器瞬态热特性

为研究热容型大功率半导体激光器在低环境温度、高瞬时功率、长工作间歇时间条件下的应用,建立三维瞬态热传导模型,通过有限元法计算得出热沉三维尺寸对半导体激光器瞬态热特性的影响。选取尺寸为26.6 mm×11.5 mm×4 mm的热沉进行热容型半导体激光器的封装测试,获得其在-20℃和-30℃环境温度下连续工作3.5 s过程中有源区温度随时间的变化曲线,并与数值计算的结果进行对比。结果表明,两者在误差范围内能够很好地吻合。     

热容激光器激光介质的热力学数值模拟

为模拟激光介质的温度、热应力的分布和变化,建立了激光介质热力学计算模型.该模型从激光介质的瞬态导热微分方程出发,得到沿纵向的热沉积功率密度,并将其作为该微元段的热载荷,加载到该微元段的泵浦区.考虑热容值、热导率、热膨胀系数和弹性模量等与温度的关系,得到激光介质的温度分布和变化,以及热应力的分布和变化.为热容激光器的实验和设计提供参考依据.     

激光辐照下复合材料热响应的轴对称数值分析

为了模拟激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应,建立了轴对称计算模型。模型考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容和热导率等物理量的变化情况。采用有限元方法求解控制方程,边界条件包含了激光辐照、对流换热以及辐射换热。在此基础上编写了计算程序,预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和基体热分解状况。为了校核模型,开展了激光辐照碳纤维复合材料试验。计算结果与试验数据比较表明,模型预测的复合材料温度-时间曲线与试验结果较好吻合,在较低功率密度激光辐照下复合材料热响应以基体热分解为主,与试验烧蚀形貌观察结果一致。     

微槽平板热管传热性能的实验研究

本文对内部蒸汽通道互相连通的微细矩形槽道结构的不锈钢-水、铜-水热管的传热性能,进行了较全面的实验研究。分析了热管充液率、工作温度、倾角、冷却方式等因素对热管传热性能的影响,得到微型热管的最佳充液率范围、当量导热系数和热管的传热能力。     

高功率激光器窗口三维温度场分析及其热透镜研究

对高功率激光器输出耦合镜的受热情况进行了分析,在实际工作模型下 设定了圆柱坐标下的热传导方程边界条件。对高功率激光器输出耦合镜所处的物理状态进行了符合实际情况的简化,求得了热传导方程的解析解。对GaAs窗口材料分析了高功率激光器输出耦合镜内部温度分布,在考虑了材料折射率与线膨胀系数随温度变化的因素后,计算了等效光程变化及其引起的热透镜效应。     

激光二极管端面泵浦Yb:YAG圆棒热效应研究

基于激光二极管端面泵浦Yb∶YAG棒工作特点的分析,提出了端面绝热、周边恒温的激光晶体热分析模型,采用了一种新的热传导方程求解方法,得到了超高斯光束端面泵浦Yb∶YAG棒温度场的一般解析表达式。同时分析了不同阶次、不同光斑半径、不同功率超高斯光束以及晶体参数改变时对于Yb∶YAG棒温度场分布的影响。研究结果表明,若准直聚焦到Yb∶YAG棒泵浦面42.5W的光束具有4阶超高斯强度分布时,掺Yb3+质量分数为10.0at.%、长度为2.5mm、半径为2mm的Yb∶YAG棒的泵浦面获得74.20℃的最高温升。新的热传导方程求解方法在研究激光棒温度场分布方面具有计算量小、精度高等特点。研究结果对减小激光晶体的热效应,提高全固态Yb∶YAG激光器性能提供了理论依据。