端侧面组合抽运DPL热透镜效应研究

通过数值计算发现：在端侧面组合抽运DPL中,晶体横截面上的温度分布接近于轴对称分布,并且端面抽运功率占有率越大,温度分布越接近于轴对称分布。将端侧面组合抽运DPL中的热效用等效薄透镜近似,给出了等效热透镜焦距的计算方法,分析了组合抽运引起的热透镜效应对基横模振荡光的光斑尺寸和衍射损耗的影响。在总抽运功率一定的情况下,端面抽运功率占有率的变化对热透镜焦距有一定的影响,占有率越大,热透镜焦距越长。提高端面抽运功率占有率,可在一定程度上减小热透镜效应对振荡光束尺寸和衍射损耗的影响。     

惯性约束聚变驱动器连续相位板前置时频率转换晶体内部光场研究

本文针对惯性约束聚变驱动器终端光学系统中连续相位板置于基频光路(前置)时,频率转换晶体内部光场分布进行了研究.经研究发现连续相位板前置对基频光的相位调制降低了频率转换效率,增大了频率转换晶体内部光场的不均匀性,它导致晶体激光诱导损伤风险的可能性加大.值得特别注意的是:在频率转换晶体入射和出射端面附近激光调制度和最大光强相对于其他区域高,发生激光诱导损伤的可能性相对更大.因此当不断增大频率转换系统输入的基频光光强时,为保证惯性约束聚变终端光学系统的正常运行需要把连续相位板前置对频率转换晶体内部光场分布的影响 关键词： 惯性约束聚变 连续相位板 频率转换晶体 激光诱导损伤     

端面抽运激光晶体热形变及温度场分布研究

用有限元方法研究了端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的温度和端面热形变分布规律.研究表明,激光晶体的端面热形变分为端面伸长形变和鼓出形变两种,晶体的热形变透镜效应是由鼓出形变引起的.在端面抽运的Nd∶YAG晶体中采用第三类热传导边界条件,实验测量了晶体的端面伸长和端面鼓出形变,结果与理论分析相一致.     

2.94 μm Er:YAG激光热效应数值模拟及实验研究

理论分析了Er:YAG激光晶体的热退偏效应,模拟计算了该晶体棒端面退偏的分布,并进行了偏光干涉实验验证。结果表明,数值模拟和实验结果完全一致,热退偏效应随抽运能量增大而增强,退偏分布呈十字形,最大退偏发生在晶体棒端面上与起偏器偏振方向成45°方位处。同时,还阐明了一种利用临界稳定腔来测量灯抽运脉冲Er:YAG激光器有效热透镜焦距的简单方法,测量出不同抽运功率下Er:YAG晶体的等效热焦距。     

激光热效应对PPLN晶体倍频效率的影响

从准相位失配关系出发,研究了PPLN晶体倍频效率与温度的关系,针对温度对折射率与极化周期的影响,分析了激光热效应对准相位匹配系统谐波转换过程的影响。采用有限元分析法计算了PPLN材料内部温度分布状况,并对热效应影响下晶体内部倍频效率变化情况进行了计算。计算结果表明:在不同基频光功率密度下,在倍频过程中晶体温度及通光方向截面折射率的分布不同,在倍频晶体出射面倍频效率的分布也不同;随基频光功率密度增大,晶体整体温度与折射率增大,出射端面倍频效率分布随基频光功率密度变化而变化;与理想条件倍频系统相比,激光热效应对晶体倍频效率有一定的影响。     

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。     

基于数字全息的热透镜效应测量

提出一种数字全息定量测量半导体激光二极管侧面泵浦Nd∶YAG晶体热透镜效应的方法。CCD采集Nd∶YAG晶体在不同泵浦电流下的数字全息图,通过数值重建得到热透镜效应引起的相位分布及其变化过程。再由相位分布计算得到对应的热透镜焦距。实验结果表明,利用数字全息技术可以准确和有效测量热透镜效应及热透镜焦距。     

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。     

复合式补偿器的温度效应

石英晶体有着较大的温度膨胀系数,因而温度变化会引起石英晶体制作器件的使用误差.为了减小这种误差,研究了二元复合式补偿器相位延迟随温度的变化情况.结果表明,温度变化越大,波片级数越大,补偿相位受到的影响也越大;理论计算表明,补偿相位在一定的温度范围内与起偏镜转动的角度成线性关系.实验结果与理论结果相一致.该研究结果对于复合补偿器在不同环境下的正确使用有一定的参考价值.     

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.     

数值模拟抽运分布对端泵激光器晶体热透镜球差的影响

为了研究端面抽运情况下,激光晶体在不同分布的抽运光抽运时热透镜球差的变化,通过对稳态热传导方程和Zernike多项式的求解,建立了热透镜球差与抽运光强度分布的模型,对模型进行了理论分析和仿真研究,并对仿真结果做了进一步理论和仿真分析.结果表明:在相同的抽运功率下,二阶超高斯分布抽运光抽运时球差最大,且随着抽运分布系数k的增大(除高斯分布外)球差逐渐减小;随着抽运功率的增加,抽运分布系数k对球差的影响逐渐加重,且不同分布系数k所产生的球差差距逐渐增大;并对二阶超高斯分布抽运光抽运得到最强激光功率的照射范围进行了理论分析和仿真分析,得知在相同抽运功率下,二阶超高斯分布抽运光得到最强激光功率的范围最宽为0.30—0.63倍高斯半径.     

Influences of pump beam distribution on thermal lensing spherical aberration in an LD end-pumped Nd:YAG laser

A numerical investigation is made on the thermal lensing and spherical aberration effect in an LD end-pumped Nd:YAG laser. Based on the finite element method (FEM), the laser rod temperature distribution is calculated and the focal length of the thermal lens is deduced, the influences of pump beam on the thermal lensing spherical aberration are mainly studied. The results show the thermal lens which focal length varied with the radial coordinate r is not an ideal lens. Given the heat dissipation boundary conditions, the radial dependent focal length will be shortened when the pump power raised or the waist radius of the pump beam reduced, meanwhile the radial differences of the focal length will decrease when the pump power increased. For a Super-Gaussian profile pump beam, the higher the exponent number, the more similar to flat top the pump beam is, and the less the radial differences of the focal length are.     

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端面泵浦变热导率方形Yb∶YAG微片晶体热效应

针对激光二极管端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体产生的热效应问题,运用半解析方法计算该晶体的温场分布。根据连续LD端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体的工作特性,建立符合实际工作情况的热模型,构造初始条件和边界条件。同时考虑到晶体的热导率是温度的函数,并结合牛顿法求解热传导方程,得到晶体温度场的一般解析表达式。定量分析了不同的泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体厚度因素对变热导率方形Yb∶YAG微片晶体温度场的影响。结果表明:使用泵浦功率为80 W、超高斯阶次为1、光斑半径为400 m的泵浦光对含方形Yb∶YAG微片晶体质量分数为8.0%、晶体的尺寸为431 mm3进行泵浦,将晶体的热导率视为常量和变量时,泵浦端面获得的最大温升分别为41.25 ℃和52.14 ℃。研究结果对减小全固态Yb∶YAG晶体的热效应问题具有指导意义。     

Thermo-optic effects affecting the high pump power end pumped solid state lasers: Modeling and analysis

A complete solution of the thermal effect for continuous wave laser diode array fiber coupled high pump power end pumped actively solid state laser is presented. In this paper, the thermal loading resulted from energy transfer up-conversion effect for laser operated under different pulse repetition frequency has been taken into account in the overall thermal effects. The thermal loading transfer the absorbed pump power into non-uniform temperature distribution in the laser rod, and thus results in thermal strain, thermal stress, thermal dispersion of index, and thermally induced diffraction losses. For a practical laser cavity configuration containing the internal optical elements, we use spherical aberration theory to give a better explanation of experimental results via calculating diffraction losses quantitatively. According to analysis of thermal focal length experimental data, the results show that our calculated value of thermal loading under fixed Nd³⁺ doped concentration laser crystal is not a constant but a function of pump power instead. The theoretical predicted curve of thermal focal length based on our model is in good agreement with experimental measurements. At low pump power, the thermal loading is a linear function varying with pump power, but it begins to saturate at pump powers exceeding 6 W. This phenomenon is consistent with our physical intuitions.     

激光二极管端面泵浦多段复合板条激光器热效应

针对激光二极管端面泵浦的多段渐变浓度复合板条激光增益介质,提出了两种选取掺杂浓度的方法,并分别计算了多段渐变浓度复合板条增益介质的热量、温度及应力分布.结果表明,与单一掺杂浓度板条增益介质相比,采用多段渐变浓度复合增益介质可显著降低增益介质内部的温度梯度及最大热应力,从而提高了激光器整体的损伤极限泵浦功率,有利于激光器的功率升级.     

Laser performance of <Emphasis Type="Italic">N</Emphasis><Subscript><Emphasis Type="Bold">g</Emphasis></Subscript>-cut flash-lamp pumped Nd:KGW at high repetition rates

A comparative study of the flash-lamp pumped laser performance of standard b-grown Nd:KGW and Nd:KGW grown for propagation along the optical axis N_g is presented. The results show that, in comparison with b-grown crystal, the N_g-grown Nd:KGW is very promising for use at high repetition flash-lamp pumping rates. With the same laser cavity configuration, the N_g-grown Nd:KGW can operate at an average flash-lamp input power of at least 1.4 kW, while the b-cut one ceases lasing at average flash-lamp input power of ∼0.5 kW. The reason for this is that the thermal lens induced in the N_g-oriented Nd:KGW rod under pump radiation is relatively weak, nearly spherical and positive, whereas the b-grown Nd:KGW rod acts as a quite weak positive lens for radiation with radial polarization, and as a much stronger negative lens for tangentially polarized radiation. PACS 42.60.Jf; 42.70.Hj     

Analysis and compensation of thermal lens effects in Tm：YAP lasers

The thermal lens effects in Tm：YAP laser are analyzed by solving the Poisson equation with finite difference method. The thermal focal lengths measured are in the range of 40-90 mm at the pump power of 16-34 W, consistent with the simulation results. The temperature contribution coefficient （the linear coefficient between the maximum temperature in the laser crystal and the pump power） of 1.19 K/W is also obtained. The convex lens and plano-concave mirror thermal lens compensation methods are proposed and applied to a high power pumped Tm：YAP laser.     

Investigation of the beam propagation in a pumped laser rod

A method investigating the beam propagation in a pumped laser rod is proposed. In this method, the pumped laser rod in a resonator is evenly divided into N segments along the laser rod axis, and each segment is considered as a small thermal lens with thermal focus length of f. Accordingly, the beam radius distributions in the laser rod for the symmetric and asymmetric resonators are thus calculated, respectively. The beam radius distribution in the whole resonator is also calculated. Moreover, the calculated beam distribution in the whole resonator and in the rod is also described in detail.