侧面抽运板状激光介质的热汇冷却

高热负荷固体激光介质的热效应已经成为制约激光器功率进一步提高的严重障碍,只有对激光介质进行有效的冷却才能保证其安全运行。以不均匀换热系数模型为基础,研究了具有非均匀内热源的侧面双向抽运板状激光介质在狭窄通道强制对流冷却情况下的耦合换热问题,对热汇冷却方案下介质的温度分布和热应力分布进行了数值模拟和分析,并对复合介质、蓝宝石和金刚石三种热汇材料进行对比。结果表明,忽视换热系数的非均匀性将导致应力计算结果偏低。对于侧面抽运、侧面冷却的激光介质,金刚石热汇冷却方案最佳,蓝宝石热汇方案次之,而复合介质方案不宜采用。     

板状激光振荡介质温度场和应力场的数值模拟

以非均匀内热源模型为基础,并考虑材料的导热系数和热膨胀系数的温度相关性,利用有限元方法,对板状激光振荡介质在不同功率和冷却强度下的温度和热应力分布进行了数值模拟及分析。根据计算结果提出了最大有效换热系数的概念,指出换热系数超过最大有效换热系数后,继续强化传热对减小高功率激光器的热效应已无明显效果。以此得出采用常规冷却技术所允许的最大泵浦加热功率。     

金刚石窗口冷却Yb3+∶YAG DPSSL设计

针对高功率二极管重复率抽运的V型非稳腔Yb3+∶YAG激光头，提出了利用金刚石窗口冷却和直接水冷相结合的复合冷却设计.在YAG片的抽运面进行直接水冷，同时在激光提取面利用金刚石窗口冷却介质.金刚石优异的导热性能不仅能够有效地冷却激光介质，还能消除横向的温度梯度，解决了高功率激光器冷却和高功率抽运的矛盾.模拟结果表明对掺杂10 at %厚度为1.6 mm的Yb3+∶YAG片在抽运功率密度为20 kW/cm2，重复频率为10 Hz的条件下，要将最高温度控制在可接受的范围内（比如320 K），周围冷却水的对流换热系数约为4000 W/m2K.     

高能量光泵浦下板状复合介质的热特性

为降低高能量光泵浦下板状激光放大介质内的热效应,提出了复合介质的方案。利用有限元方法,计算并比较了侧面存在强迫对流换热条件下,单一介质与复合介质内的温度分布和热应力分布。分析了复合介质尺寸对介质内最高温度及最大热应力的影响,给出了复合介质的最佳尺寸。     

分区域主动冷却薄片激光介质的理论和实验研究

针对薄片激光介质抽运和温度分布不均匀的问题, 设计了分区域主动冷却控制薄片激光器. 根据热传导方程, 对端面抽运方形薄片激光介质在均匀冷却和分区域主动冷却两种冷却方式下的温度和应力分布进行了模拟计算. 结果显示: 分区域主动冷却能使薄片介质横向温度分布趋于均匀, 相对于均匀冷却时最大温差的改善率达到了约86%, 介质边缘的张应力转变为低值压应力,有效地抑制了热应力炸裂. 搭建了分区域主动冷却控制实验装置, 并进行了验证实验, 实验结果与模拟结果相符. 为薄片激光器的热管理方式提供了新的思路. 关键词： 薄片激光器 端面抽运 分区域主动冷却 数值模拟     

高功率薄片激光介质温度与应力数值模拟

Nd：YAG薄片激光介质一个表面采用二极管阵列泵浦，另一个表面冷却的工作方式，可以使薄片径向温度分布近似均匀，从而降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。针对Nd：YAG薄片激光介质的热效应问题建立了理论计算模型。分别计算了在不同泵浦条件下薄片的温度分布和应力大小，薄片泵浦条件变化与应力的关系，以及在Nd：YAG薄片与Cu冷却器之间增加与Nd：YAG热膨胀系数相近的介质层材料（复合金刚石）对应力影响的关系。     

斜抽运无机液体激光器的流场热分布

激光二极管斜抽运的多增益段串接的液体激光器能够明显地提高激光光束质量、获得较高的输出功率.针对斜抽运子增益段工作时所涉及的流动、传热和壁面耦合,建立了计算子增益段流场热分布的流-热-固耦合模型,应用有限单元法完成了其瞬态流场热分布的数值模拟.该方法排除了不精确的换热系数对计算结果的影响,使得换热系数不再是计算的先决条件,而只是计算结果之一,并且为评价流道形状、流速、吸收系数等因素对流场热的影响,以及进一步改进和控制液体激光介质的流场热分布,提供了可靠的分析方法.数值模拟研究表明:换热系数是空间位置的函数,     

激光介质的多次吸收不均匀内热源模型

针对激光介质的内热源,以多次吸收作用为基础提出了适用于侧面双向泵浦板状激光介质的不均匀内热源模型,即多次吸收不均匀内热源模型,并与均匀内热源和一次吸收内热源模型进行了对比分析。研究表明,介质厚度及光吸收系数组成的无量纲参数不同时,三种内热源模型得到的内热源分布也有所不同。最后给出了内热源不均匀度及多次吸收模型与一次吸收模型之间的差异在不同目标值下的内热源模型适用准则。     

激光二极管阵列端面抽运复合棒状激光器热效应的有限元法分析

建立了激光二极管阵列(LDA)端面抽运棒状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,运用有限元法得出了复合棒状介质和未复合棒状介质内瞬态温度、热应力和应变的时空分布,分析了温度、热应力和应变随抽运功率、换热系数和时间的变化规律.结果表明,复合棒的最高温度、最大张应力和最大轴向应变的位置与未复合棒不同,并且数值分别为未复合棒的73%,60%和33%.由此可知,利用复合棒可极大地减小热效应的影响.理论分析结果可为LDA抽运固体激光器的结构优化设计和实验研究提供理论参考.     

LD抽运钕玻璃薄片放大器热管理结构

基于传热学基本理论,借助有限元分析方法,对LD端面抽运钕玻璃薄片激光放大器激光介质的瞬态热效应进行数值模拟.通过对不同边界条件下钕玻璃薄片内部温度场及应力场的分析,研究了LD端面抽运钕玻璃薄片的热效应特性,并对比了不同热管理方案下钕玻璃薄片的温度分布.结果表明:采用白宝石窗口结合外围热沉TEC制冷的冷却方案最佳.此种冷却方案下钕玻璃薄片内最高温度在非抽运面中心处,约120℃.虽然比直接对抽运面水冷方式的冷却效果稍差,但是可以避免抽运面直接水冷所引起的一些问题.相关研究结果也表明,由于钕玻璃热阻较大,即使加强径向散热,抽运区的热量仍然难以从径向疏散,对热管理方案进行优化时应该考虑从尺寸较小的轴向进行散热.     

激光、激光技术 激光工作物质

FN244 2005064068 四能级固体增益介质中长脉冲抽运光的吸收=Absorption of pumping light in four-level solid state medium pumped with a long pulse[刊,中]/秦华(南开大学现代光学研究 所．天津(300071)),傅汝廉…∥光电子·激光．-2005, 16(3)．-298-301,331 从激光介质中光能量的传输方程和速率方程出发,讨 论了增益介质对抽运光的吸收问题。理论分析表明,只有     

端面抽运板条介质抽运光束不均匀性及改善方法研究

 基于Zemax软件下的非序列模式(non-sequential mode)光线追迹法,分别模拟复合结构板条介质抽运端面和掺杂介质区工作端面上的光强度分布。由追迹结果可知,经过整形,在抽运面强度分布均匀的抽运光束经过非掺杂介质区传播到掺杂介质工作端面后光束分布均匀性大大降低。研究表明复合结构板条介质中非掺杂介质区影响了抽运光束,即抽运光在非掺杂介质区传播过程中发生全内反射,导致部分光束在实际工作端面的部分区域发生叠加,从而致使实际工作端面抽运光束分布不均匀。最后,依据平面波导匀化理论,从改变非掺杂介质区长度和入射光束发散角大小角度出发,提出改善抽运光束均匀性的思路,并进行了模拟验证。     

锯齿形板条抽运结构的热效应数值比较

激光二极管抽运的全固态激光器中,除了激光介质的温度分布和热透镜效应以外,抽运、冷却结构对获得高光束质量、高功率激光输出至关重要。基于热传导方程,在相同的抽运功率和传导冷却边界条件下,对单侧面抽运锯齿形(zigzag)板条、单侧面键合锯齿形板条、部分抽运板条三种不同抽运结构的温度分布、热致应力、温度导致的折射率变化进行了详细的分析,并通过光线追迹方法,比较了光束在锯齿形面内和垂直于锯齿形面内的光程差,由光程差曲线分析了激光束的热透镜效应。对三种抽运结构的端面温度、端面变形和端面变形导致的光程差也进行了对比分析。结果表明,三种抽运结构在锯齿形面内的光束均表现为发散特性,在垂直于锯齿形面内的光束表现为热聚焦效应,温度导致的热聚焦特性相差不是很大。而在消除端面效应方面,键合激光板条具有明显优势。最后,提出了热透镜效应的补偿方法。     

复合结构掠入射板条放大器热效应的模拟分析

为了研究复合结构掠入射板条放大器的热效应,采用在Nd:YVO4晶体抽运面上键合具有高热导率性能的蓝宝石的复合结构,并建立了相应的热力学模型,对激光介质的温度场分布、光程差（OPD）和热透镜效应进行了详细的理论分析,利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应变、光程差（OPD）及热焦距的分布情况。结果表明,板条厚度为2 mm、键合层厚度1 mm、抽运功率60 W时,复合结构相对于单一结构最高温度下降了约50 K,晶体中的最大形变量降低超过了1/3,极大地降低了介质中的热效应。     

单个激光二极管对称侧向抽运的固体激光器

采用一种半导体激光器侧向抽运的固体激光器新结构，可将一个半导体激光器的输出光分成四部分，从四面对称耦合到激光棒中，从而实现比较均匀的抽运。模拟计算了这种对称抽运结构中激光棒对侧面抽运光的吸收过程，得到了激光棒介质的吸收系数和直径等参量对激光棒内抽运光能量分布均匀性和能量吸收率的影响规律，并在此基础上对相关参量进行了优化。这种方案结构简单紧凑，很容易获得高光束质量的高功率固体激光输出。采用这种抽运结构制成了新颖的激光头，初步实验结果良好，表明该结构确实可行。     

LD侧面抽运板条激光器热效应分析

针对板状Nd:YLF激光介质,在高斯光束抽运情况下,用ANSYS有限元软件模拟了激光介质的热效应,对激光介质中各点的温度和应力分布进行了分析和比较.研究发现双侧抽运与单侧抽运相比,更易获得对称的温度分布,随着抽运光斑横截面变大,抽运面中心温度变低.同时得到板条的棱边、端角处存在较大热应力,且引入的机械应力不可忽视,因此,激光器运转时此区域需防止断裂.     

激光二极管抽运Nd:YVO4晶体的三维热效应分析

针对激光二极管抽运的以Nd:YVO4板条晶体为增益介质的激光器件,基于有限容积法数值分析各向异性介质的热传导方程,给出了Nd:YVO4晶体板条结构的热分布数值模型,并分别模拟仿真了808nm半导体激光器双端端面抽运,大面均匀抽运,大面周期分布抽运三种抽运结构,得到了Nd:YVO4板条晶体在这三种抽运结构下的非稳态时不同时刻的温度曲线和稳态时的三维温度分布切面图.     

LD侧面抽运Nd：YAG陶瓷激光器运转条件下归一化热参数优化理论及实验研究

考虑激光提取对介质内非辐射跃迁的抑制作用，建立和完善LD侧面抽运Nd：YAG陶瓷激光器运转条件下增益介质的发热模型，通过实验测量激光器斜率效率和增益介质吸收的抽运功率来推导出归一化热参数.通过归一化热参数，讨论了影响Nd：YAG陶瓷介质内热沉积的主要因素，研究结果表明：增益介质内热沉积对激光提取效率、交叠效率以及掺杂浓度的变化比较敏感.为有效减少热沉积，对所研究的掺杂原子百分比浓度为1.0%的Nd：YAG陶瓷多模激光器的输出耦合镜进行优化选择，激光提取效率提高到0.905，归一化热参数降低到0.474.研究结果可为进一步研究陶瓷激光器中热效应以及冷却方案设计等提供一定参考. 关键词： 热沉积 归一化热参数 Nd：YAG陶瓷     

激光二极管列阵侧面直接抽运方式的模拟计算和效果评估

计算模拟了激光二极管侧面直接抽运方式，讨论了抽运距离和介质吸收系数等参数对抽运均匀性的影响，并近似地给出定量结果，证明只要选取适当的抽运参数，采用侧面直接抽运方式也能获得较好的抽运性能和激光输出。     

LDA侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应分析

 在高斯光强近似下对泵浦LD光强分布模型进行修正，建立了LDA侧面泵浦固体激光介质内热源分布的数值模型。用有限元法计算模拟了三角均匀分布侧面泵浦结构激光棒瞬态温升过程及稳态温度分布情况。讨论比较了泵浦源的高斯强度近似和均匀强度近似下激光棒内温度分布情况，并对激光棒的类热透镜的焦距进行实验测量。实验和数值计算说明了LDA泵浦结构和冷却场的非均匀分布使实际温度场偏离均匀泵浦时的二次曲线分布模型，激光晶体热效应产生的类透镜会聚作用的不对称导致了激光器输出光束质量在x，y方向上的不同。