高功率双包层光纤激光器受激拉曼散射和热效应的理论研究

 受激拉曼散射和热效应会限制光纤激光器功率的提高。利用高功率光纤激光器的速率方程和热传导方程，理论研究了双端泵浦和分布泵浦下双包层光纤激光器的受激拉曼散射和热效应，得到了光纤中的泵浦光、激光和斯托克斯光的功率分布，光纤激光器的输出特性以及光纤中的温度分布。分析表明，当泵浦功率增大到一定值时，光纤激光器中出现SRS，一部分激光功率会转移给斯托克斯光，影响激光功率进一步提高;与双端泵浦方式相比，分布泵浦下光纤激光器的斜率效率和最大输出功率相差不大，但是，光纤中的温度分布被有效地降低，因此，分布泵浦方式更为有效。     

LD端面泵浦全固态连续单纵模3微米激光器的理论研究

理论研究了LD端面泵浦全固态连续单纵模3μm激光器的输出特性。基于对Er:YAG激光器的能量过程的分析,建立了考虑晶体热效应影响的速率方程模型,讨论了晶体控温温度、掺杂浓度、晶体长度、泵浦-振荡激光模式匹配比率、输出镜透射率、单向器插入损耗等参数对连续单纵模3μm激光输出特性的影响,为高功率连续单纵模3μm激光光源的设计和优化提供了理论依据。     

高功率半导体激光端面泵浦方形掺Nd3+离子激光晶体热形变研究

为了解决高功率半导体激光器端面泵浦激光晶体引起的热效应问题，激光晶体泵浦端面的热形变必须进行准确的计算.通过对于全固态激光器中激光晶体的工作特点分析，建立了矩形截面激光晶体热分析模型.基于热传导方程，提出了泊松方程的一种新解，并获得了矩形截面激光晶体端面热形变分布的一般解析表达式.同时讨论了半导体激光器偏心泵浦激光晶体给端面热形变带来的影响.与有限元分析方法以及其他数值分析方法相比，解析分析方法不会给计算引入任何的误差.热形变的解析分析为解决激光晶体的热效应问题以及提高激光器的性能提供了理论的依据.     

高功率掺Tm~(3+)光纤放大器热效应管理的泵浦方式优化理论研究

基于主振荡功率放大器结构的高功率掺Tm~(3+)光纤激光器是2μm波段高功率光纤激光器的主要实现形式,掺Tm~(3+)光纤放大器(Thulium-doped fiber amplifier,TDFA)热效应管理的研究对于其输出激光功率的不断提升具有重要意义。本文主要对TDFA热效应管理的泵浦方式优化方面进行理论研究,利用龙格库塔法以及牛顿迭代法求解不同泵浦方式下TDFA的稳态速率方程,并根据热传导方程,模拟掺Tm~(3+)光纤(Thulium-doped fiber,TDF)温度沿径向和轴向的分布。结合遗传算法理论,研究了分段泵浦方式,经过参数优化,在功率为5 W的2 020 nm输入信号光、总功率为1 000 W的793 nm激光泵浦、TDF吸收系数为3.1 dB/m条件下,将总长度为11 m的TDF分为2.4,2,2,2,2.6 m的5段进行泵浦,得到放大信号激光输出功率为284.5 W、斜率效率为28.45%、光纤外包层边界最高温度为86.28℃且温度总体分布均匀。与传统前向泵浦、双端泵浦方式下的TDFA相比,其热效应有明显改善。     

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。     

4.3μm级联振荡Dy···PbGa2S4高功率中红外激光的理论研究

数值模拟了基于级联振荡产生4.3μm高功率连续激光的Dy···PGS激光器。模拟了级联振荡Dy···PGS激光器实现稳定连续输出的全过程,计算给出了激光功率和粒子数密度在谐振腔内的空间分布,分析了泵浦光功率、晶体长度和输出镜反射率对4.3μm激光输出的影响。计算结果表明：级联振荡能有效去除Dy···PGS晶体的自终止效应,获得高功率、高效率的4.3μm激光输出;当1.7μm泵浦光功率为10 W时,4.3μm激光的输出功率可达2.535W,斜率效率为29%;晶体最佳长度区间为12～24mm,闲频光输出镜反射率越高越好,信号光输出镜反射率最佳区间为0.8～0.9。     

由热应力决定的高功率连续Nd:YAG激光器的最大泵浦功率

本文报导了一台累积寿命为50小时的高功率连续激光器(更换一次氪灯)。其最大输出功率为366W,并研究了该激光器的输出特性和稳定性.此外,从实验上测量了激光棒内部耗散的功率,分析了Nd:YAG晶体棒中的温度和热应力,指出了高泵浦功率下热应力的存在是棒发生炸裂的主要原因,并确定每根棒的最大泵浦功率.     

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.     

双包层光纤激光器的受激拉曼散射与热应力

 建立了高功率掺镱双包层光纤激光器的速率方程模型与热应力模型，对影响受激拉曼散射效应和热应力效应的关键参数（如纤芯半径、光纤长度、泵浦波长、泵浦方式）进行了数值模拟。结果表明:对于较小的纤芯半径，光纤内的斯托克斯光功率较大且增长迅速，因此增加纤芯半径能有效减弱受激拉曼散射效应；减小光纤长度能提高受激拉曼散射的阈值，而纤芯的热应力也增大，因此在不出现热应力引起光纤断裂的情况下，可以减小光纤长度以提高输出功率；采用976 nm波段泵浦源能提高输出功率，降低热应力的影响；两端均匀泵浦方式可以有效降低纤芯热应力，同时维持高功率输出。     

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双端端面泵浦的高功率连续单频Nd:YVO4激光器

研制了高功率连续单频Nd：YVO4激光器。在考虑激光晶体因吸收泵浦光而产生的热透镜效应的基础上，设计了六镜环行激光谐振腔，采用两个光纤耦合输出的高功率激光二极管双端端面泵浦结构，在总泵浦功率为32．3W的情况下，得到10．4W的单频1．064μm红外输出，斜效率为43．7％，长期功率稳走性优于1％(4h)，激光器自由运转时的频率漂移小于150MHz（1min)。     

基于光纤激光器泵浦的高功率准连续Ho∶YLF激光器

2μm激光器作为中波红外固体激光器的泵浦源方案之一,由于可以获得较高的中波红外激光输出,因此逐渐得到重视。设计了一种基于1 940nm光纤激光器泵浦的高平均功率准连续Ho∶YLF激光器,并对其进行了实验研究,表明在Ho离子掺杂浓度0.5%、晶体长度35mm、晶体控温20℃时,采用双棒串接、平凹腔L型结构获得了36 W的准连续2.067μm激光输出,其最高光光转换效率为51.4%,重复频率20kHz,脉冲宽度121ns,谱线宽度小于3nm。实验结果验证了采用1 940nm光纤激光器泵浦作为泵浦Ho∶YLF获得高功率准连续2μm激光的可行性。     

2μm泵浦中红外硫化玻璃光纤拉曼激光器的理论分析与优化

根据2μm掺铥光纤激光泵浦中红外硫化玻璃光纤拉曼激光器的模型,采用非线性耦合方程组对激光器的性能进行了研究与分析。同时,对激光器各参数包括光纤长度、输出耦合器反射率、光纤散射损耗对激光器性能的影响进行了分析并给出了优化结果。数值仿真结果表明,在一定条件下,2μm泵浦硫化玻璃光纤产生拉曼激光的斜率效率可以超过85%。另外,光纤长度和输出耦合器反射率不仅对输出激光功率的影响很大,而且是相互影响的,必须同时进行优化。结果也表明,输出激光的功率随光纤散射损耗增加急剧线性下降。以上的结果可以用于硫化玻璃光纤级联拉曼激光器的实验指导和优化设计。     

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。     

基于变形镜的碟片激光器基模谐振腔动态补偿

碟片激光器因具有高峰值功率与大能量等特性备受青睐,但在输出高功率激光的同时碟片晶体也极易受到热效应的影响而发生形变,致使光束质量劣化。设计并制作了一种简单的变形镜来补偿碟片晶体的光焦度变化。通过调节气室的气压,变形镜的曲率半径可以实现在2.050 m至+∞之间调整。基于此变形镜,碟片激光器的工作点能够随着光焦度的改变而同步移动。碟片上的激光光斑半径在整个泵浦范围内保持不变。因此碟片激光器可以保持工作在基模而激光光束质量因子M²从阈值至最大激光输出均不超过1.2。     

连续波1.7 μm全光纤气体拉曼激光光源

报道了第一个连续波全光纤气体拉曼激光光源。采用实芯单模光纤与带隙型空芯光纤熔接的方法,制备了长度为50 m、充高压氢气的全光纤结构气体腔,以一个高功率连续波1540 nm光纤放大器为泵浦源,利用氢气分子的纯转动受激拉曼散射有效实现了1693 nm斯托克斯连续激光输出。进一步,通过在气体腔输出端熔接一个中心波长为1540 nm的高反射率光纤布拉格光栅,使得拉曼阈值降低了38.2%,斯托克斯光输出功率最大为2.15 W,腔内拉曼转换效率为72.2%,由于熔接损耗,相对总泵浦光功率的光光转换效率为31.7%。该研究结果为实现高效紧凑的高功率1.7μm光纤激光器提供了一条可行的技术方案。     

波长锁定激光二极管共振泵浦Nd:YVO_4晶体连续波自拉曼激光器的设计与研究

对波长锁定878.9 nm的激光二极管共振泵浦Nd:YVO_4晶体的全固态连续波自拉曼激光器进行了理论研究.考虑了激光晶体在共振泵浦时的热透镜效应,采用ABCD传输矩阵法和等效G参数法,计算了当采用不同曲率半径输出镜时腔内振荡激光的腔模参数,通过比较抽运光与振荡激光模式匹配的情况和拉曼晶体中基频光功率密度的大小,分析了不同腔结构对拉曼激光输出功率的影响,给出了实验结果的理论解释,并进一步优化设计了谐振腔结构.最终获得了5.3 W的高功率1175 nm连续拉曼激光输出,光光转换效率达到20%.     

激光二极管泵浦的重复频率大能量低温Yb:YAG激光器设计

为实现重复频率大能量激光输出,基于Yb:YAG激光介质低温下良好的热特性和激光特性,设计了12kW高功率激光二极管(LD)阵列泵浦的V型腔低温Yb:YAG激光器(液氮温度)。对于泵浦耦合系统和散热结构两个关键点,分别使用光线追迹方法和有限元方法进行了分析,提出了楔形真空窗口和低温热管等解决方案。模拟结果表明,该设计的激光器热效应较低,可实现重复频率大能量输出。     

LD泵浦的Nd:GdVO4/KTP腔内倍频激光器

基于对Nd:GdVO4晶体热焦距的测量及其1.06 μm激光基本性能,用三镜折叠腔研究了半导体激光器(LD)泵浦的Nd:GdVO4/KTP晶体的内腔倍频性质.当用从直径为200 μm的单光纤输出的低功率的半导体激光泵浦时,绿光的阈值是26 mW,光光转换效率为17.3%.当用从直径为1.55 mm的光纤束输出的高功率的半导体激光泵浦时,绿光的阈值是200 mW,光光转换效率为19.35%.