第三类热边界条件对激光晶体热效应的影响

以各向异性半解析热分析理论为基础,研究矩形横截面Nd:YVO4激光晶体在有第三类热边界条件工作时,激光晶体温度场分布和晶体抽运面热形变分布.通过激光晶体工作特点分析,建立符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的半解析求解方法,得出了矩形截面Nd:YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明:当使用输出功率为15 W半导体激光器端面中心入射Nd:YVO4晶体(晶体掺钕离子质量分数为0.5%)时,在抽运端面中心获得499.5 K最高温度和0.99 μm最大热形变量.和将第三类热边界条件近似为第二类热边界条件的通用做法相比更准确.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

第三类热边界条件对激光晶体热效应的影响

以各向异性半解析热分析理论为基础,研究矩形横截面Nd∶YVO4激光晶体在有第三类热边界条件工作时,激光晶体温度场分布和晶体抽运面热形变分布.通过激光晶体工作特点分析,建立符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的半解析求解方法,得出了矩形截面Nd∶YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明：当使用输出功率为15 W半导体激光器端面中心入射Nd∶YVO4晶体（晶体掺钕离子质量分数为0.5%）时,在抽运端面中心获得499.5 K最高温度和0.99 μm最大热形变量.和将第三类热边界条件近似为第二类热边界条件的通用做法相比更准确.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

激光工作物质

TN2442007010162YVO4-Nd∶YVO4复合晶体热效应研究=Thermal effect ofYVO4-Nd∶YVO4composite laser crystals[刊,中]/李隆(西安建筑科技大学理学院.陕西,西安(710055)),史彭…//光学精密工程.—2006,14(5).—786-791在全固态激光器中使用了复合结构的激光晶体,通过端面泵浦复合晶体工作特点分析,提出了矩形截面复合晶体热分析模型。在热模型中,考虑了复合晶体具有轴向加热、周边恒温,耦合后的泵浦光束具有高斯分布的特点,利用热传导方程,得出了YVO4-Nd∶YVO4复合晶体内部温度场及端面热形变的一般解析表达式。研究结果表明,在相…     

不同激光分布下Nd∶GdVO4晶体热焦距分析

为了研究方形激光晶体Nd∶GdVO4在超高斯泵浦光分布下的热效应,采用半解析的分析方法,进行了理论分析和实验验证.结果表明：当使用输出功率为15 W的半导体激光器端面中心入射时,在抽运端面中心获得1.38 μm最大热形变量（超高斯阶次为2时）和220 mm的热焦距（超高斯阶次为5时）.     

不同激光分布下Nd:GdVO4晶体热焦距分析

为了研究方形激光晶体Nd:GdVO4在超高斯泵浦光分布下的热效应,采用半解析的分析方法,进行了理论分析和实验验证.结果表明:当使用输出功率为15 W的半导体激光器端面中心入射时,在抽运端面中心获得1.38 μm最大热形变量(超高斯阶次为2时)和220 mm的热焦距(超高斯阶次为5时).     

LD端面抽运Nd∶KGW 激光器热效应的理论与实验研究

对LD端面泵浦Nd∶KGW激光器的热效应进行了分析.求解热传导方程得出了Nd∶KGW晶体的温度分布和端面形变,进而计算出了热焦距随泵浦功率的变化曲线,并通过实验对其正确性进行了验证.采用凹 平腔,在不同透过率的输出镜下,对Nd∶KGW晶体的1 064 nm连续激光输出特性进行了研究.     

LD端面抽运Nd∶KGW 激光器热效应的理论与实验研究

对LD端面泵浦Nd∶KGW激光器的热效应进行了分析.求解热传导方程得出了Nd∶KGW晶体的温度分布和端面形变,进而计算出了热焦距随泵浦功率的变化曲线,并通过实验对其正确性进行了验证.采用凹-平腔,在不同透过率的输出镜下,对Nd∶KGW晶体的1 064 nm连续激光输出特性进行了研究.     

LD端面抽运Nd∶KGW激光器热效应的理论与实验研究

对LD端面泵浦Nd∶KGW激光器的热效应进行了分析.求解热传导方程得出了Nd∶KGW晶体的温度分布和端面形变,进而计算出了热焦距随泵浦功率的变化曲线,并通过实验对其正确性进行了验证.采用凹-平腔,在不同透过率的输出镜下,对Nd∶KGW晶体的1 064 nm连续激光输出特性进行了研究.     

高功率金刚石拉曼激光器热效应数值模拟

金刚石晶体不仅具有极佳的光学性质,同时也拥有极高的热导率和低的热膨胀系数,这使得金刚石激光器成为实现不受热影响高功率激光输出的重要路径。但随着激光功率的进一步提升,金刚石拉曼激光器中仍然存在不可忽视的热效应等问题,这对金刚石激光器性能提升提出了挑战。针对高功率运转情况下金刚石拉曼激光器的热效应进行了理论研究,根据热传导方程并采用有限元分析方法,模拟了金刚石温度、热应力以及热形变分布,分析了泵浦参数、晶体参数对金刚石温度、热应力、热形变的影响。此外,基于石墨片横向导热特性,设计了一种新型的用于金刚石晶体的热沉结构。与传统单一铜片散热方式相比,在泵浦功率800 W、束腰半径40μm条件下,金刚石中心温度下降了10.16 K,下表面平均应力降低了19.857 MPa,端面平均形变量减小了0.055μm。数值模拟结果表明,该方法对缓解金刚石激光的热效应,实现金刚石拉曼激光器输出功率的进一步提升和高光束质量激光输出具有重要指导意义。     

基于对流传热模型的LD端面泵浦圆形激光晶体的热效应研究

通过对半导体端面泵浦棒状Nd∶YAG晶体的热效应进行了理论分析,研究了端面抽运圆形截面激光晶体内部温度场,建立了符合条件的激光晶体热模型。考虑晶体侧面与冷却液之间的对流传热,以及晶体端面与外界非绝热边界条件,从而建立更为合理的边界条件,得出更符合实际的晶体的温度分布场。研究结果表明,考虑端面的对流传热后,计算的晶体中心温度降低,而相应的热焦距稍有增加;空气传热系数增加时,晶体中心温度明显降低,热焦距显著增加,减弱了晶体热效应。     

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。     

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.     

多波长半导体激光阵列端泵Nd:YAG脉冲激光器

研制了无温控多波长激光二极管阵列端面泵浦Nd：YAG电光调Q激光器。采用4 000 W多波长准连续激光二极管阵列作为泵浦源,快轴准直镜与透镜导管作为泵浦耦合系统,端面泵浦φ6 mm×60 mm的Nd：YAG晶体,并采用RTP晶体进行电光调Q实验。在重复频率5 Hz、室温（25℃）时,激光器获得了最大输出能量74.4 mJ、脉宽15 ns的1 064 nm脉冲激光输出,光光转换效率达到11%。在25~55℃的工作温度下,对多波长LDA的光谱特征与激光器的输出特性作了测试,激光器输出能量随着工作温度的上升而先迅速下降再逐步保持稳定,当重复频率分别为5 Hz和10 Hz时,激光器对应的最低输出能量分别为48 mJ与37 mJ。     

Influence of spatial mode matching in end-pumped solid state lasers

We present investigations on the influence of mode matching on the efficiency of longitudinally pumped solid state lasers. In a theoretical part we enhance an existing model for four level lasers from idealized cylindrical modes to arbitary pump and laser modes in a random relative position thereby neglecting beam deformation due to thermal effects. The theoretical predictions were confirmed experimentally with an end-pumped Nd:YAG rod operated at 1064 nm. To investigate the effect of misalignment on the efficiency we used a Ti-Sapphire pump laser which was displaced relative to the laser beam. To establish the influence of arbitary pump modes on laser performance a diode laser equipped with coupling optics served as pump source for the same resonator. The resulting decrease in slope efficiency compared to the Ti-Sapphire pumped system could be explained in terms of limited mode overlap due to the characteristic pump field distribution produced by the diode coupling optics.     

Measurement of Thermal Lens Focal Length and Its Effect on Laser Output Characteristics in LD End-pumped Nd:YVO4 Lasers

According to the resonator transform circle theory, the focal length of thermal lens of laser media in laser diode end-pumped solid-state lasers is analyzed and measured with a simple method. A 30W 808nm LD pumped YVO4 laser is developed and characterized.     

激光二极管端面泵浦Yb∶YAG薄片激光器的热效应

通过激光二极管端面泵浦Yb∶YAG薄片工作特点分析,建立了符合实际情况的热模型.热模型考虑了介质薄片具有端面绝热、周边恒温冷却、后端面镀膜达到充分利用泵浦光能量等特点.分析并建构了Poisson方程新的求解方法,得出了Yb∶YAG薄片内部温度场以及泵浦端面热形变场的一般解析表达式.理论研究结果表明:若激光二极管泵浦功率为20 W、耦合到薄片泵浦面的泵浦光高斯半径为250 μm时,长度3 mm、半径1.5 mm的5.0at.%Yd:YAG薄片泵浦端面的最高温升为44.5℃,最大热形变量为0.83 μm.     

Measurement of Thermal Lens Focal Length and Its Effect on Laser Output Characteristics in LD End-pumped Nd∶YVO4 Lasers

According to the resonator transform circle theory, the focal length of thermal lens of laser media in laser diode end-pumped solid-state lasers is analyzed and measured with a simple method. A 30W 808nm LD pumped YVO4 laser is developed and characterized.     

激光二极管端面抽运的棒状Yb：YAG激光器

分析了影响激光二极管抽运Yb：YAG激光器调Q效率的参量，推导了激光二极管端面脉冲抽运Yb：YAG晶体的速率方程，解出了双程抽运情况下的净抽运量子产率。利用数值计算方法，模拟了净抽运量子产率与晶体长度，抽运光脉冲宽度等关系，得出晶体长度的优化可以提高Yb：YAG激光器输出效率。计算了词Q Yb：YAG激光器的最大增益、最大储能，分析了放大自发辐射对于Yb：YAG能量存储的影响。同时给出了激光二极管端面抽运调Q Yb：YAG优化设计方法。这些分析和计算为实际器件的研制提供参考。     

Theoretical investigation on thermal lensing effects of Yb:KY(WO4)2 in diode-pumped lasers

Based on the features of laser diode end-pumped lasers, a thermal model of Yb:KY(WO₄)₂(Yb:KYW) with square cross-section was established. Considering the heat transfer on side faces, the anisotropic of thermal conductivity and the latest reports about thermo-optic coefficient, thermal expansion coefficient and thermal conductivity, temperature distribution, end-pumped face distortion and thermal lens focal length of Yb:KYW were more precisely obtained using finite difference method to solve Poisson equation in a rectangular Cartesian coordinate for the first time. At the pump power of 14 W, the highest temperature located at the center of end-pumped face was 243.8 °C, the highest distortion was 0.28 μm, and the thermal lens focal length was 5.4 cm along z-axis and −4.9 cm along x-axis. The results show that thermal lensing effects in the b-cut Yb:KYW were mainly determined by the anisotropic thermal expansion of Yb:KYW, and further present thermal lensing effects become weaker after considering the heat transfer. This work is significant for compensating the thermal lensing effect and improving the resonator stability of diode-pumped anisotropy crystal lasers.