多增益段串接的液体激光系统特性研究

液体激光系统在抑制热畸变方面具有突出优势,能实现长时间稳定的高能激光输出.在液体激光系统中,常规双侧抽运的激光增益分布呈现边缘很强、中间较弱的特点,难以获得单横模激光输出,限制了光束质量.介绍了一种多增益段串接的液体激光系统,其抽运方式介于侧面抽运和端面抽运之间,然后对其增益分布和激光能量传输效率进行了数值模拟.数值模拟表明多增益段串接的液体激光系统能产生近似于高斯型增益分布,激光光束质量很高;同时该多增益段串接的液体激光系统的腔内传输损耗较小,激光能量转换效率可达30%以上.     

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.     

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,     

激光二极管抽运单/双增益模块的液体激光系统性能对比

单增益模块的无机液体激光体系在通过流动循环散热时,也导致抽运区域的增益介质在流动方向上产生了热梯度.而双增益模块的液体激光系统既能有效地散热,同时也避免了流动方向的热梯度,具有较好的性能.采用数值计算方法模拟了同样增益长度的单、双增益模块系统的热特性和输出激光的远场光斑分布,并进行了对比分析.结果表明双增益模块液体激光系统的性能明显优于单增益模块系统:远场光斑的峰值强度提高一个数量级,能量集中度和光束质量均得到明显的提高.     

二极管抽运流动无机液体激光器出光实验研究

热效应是限制高能激光输出性能的重要因素之一,液体激光体系在此方面具有特殊的优势。开展了二极管抽运无机液体激光器的流动出光实验,实现了流动状态下较长时间高重复频率的激光脉冲输出。测量了激光光谱、激光脉冲波形和单脉冲激光能量等参数,其中激光中心波长为1052.7nm,脉宽约为170μs,最大单脉冲能量约为5mJ。在抽运频率400Hz时可连续工作10min以上。但随着抽运频率上升,激光脉冲能量相应下降。结果表明,二极管抽运的无机液体激光体系在流动状态下能有效地避免热沉积,从而实现较长时间、高重复频率的激光脉冲输出,有望发展成为新型高功率、高光束质量激光体系,值得开展深入的实验研究。     

沿Z型光传输管道轴向吹气对激光传输的影响

针对在Z型管道中传输的高能量密度激光束受到的气体热效应问题，采用光波标量衍射方程计算光传输、N-S方程计算管道内流场，仿真计算了以不同的速度沿管道轴向吹入对激光能量无吸收的气体时，由于气流扰动对出射光束远场光斑质量的影响。结果表明，在采用纵向吹气减小气体热效应对光束传输的影响时，应尽可能采用大气量、低流速的方案，既有利于排空管道中的杂质气体，减小气体热效应，又有利于减小管道中流场密度分布的不均匀性，从而保证出射光束的质量。     

BBO晶体倍频中的温度场与光场耦合模拟

首先建立了无限大晶体截面近似下的时-空4维光场和温度场耦合的倍频模型. 并在瓦级功率激光抽运下,利用解析公式和迭代方法数值模拟了BBO晶体内的倍频过程.得到了基频光和倍频光的振幅和转换效率曲线以及温度场分布,展示了温度场及光场的时间演化过程. 其次分析了抽运功率和晶体长度对转换效率和温度场的影响. 结果给出,温度分布对转换效率和光束质量都有较大影响;对热效应引起的相位失配进行补偿能够很好地改善转换效率的下降,因此必须在实际应用中加以考虑. 关键词： 倍频 温度场 BBO晶体     

热透镜控制激光光束质量技术研究

在端面抽运固体激光器中,就如何改善在高抽运功率时输出激光的光束质量,提出一种激光器的设计方法。在激光器谐振腔中放入多根掺杂浓度不同的激光介质,利用激光介质内部产生的热透镜控制抽运光和基模振荡光的空间分布,并且最大限度地使抽运光的分布区和基模振荡光分布区重叠,实现抽运光与基模振荡光在空间上高度匹配,进而提高抽运光能量的利用效率和振荡光的光束质量。实验表明,在不同抽运功率下,抽运光和基模振荡光在晶体内部的光斑的空间分布可通过热透镜加以控制。在端面抽运功率200 W附近时,实现了抽运光与基模振荡光较高程度匹配,光束质量因子M2由14.7改善为4.1。     

部分抽运的板条激光器的热效应分析

基于热传导方程和高斯赛德尔数值计算方法,对部分抽运板条激光器的温度分布、热应力和热致折射率变化等热效应进行了详细分析,并与单侧抽运及双侧抽运方式进行了比较。结果表明,设计合理的部分抽运板条激光器,可以获得较高的抽运效率,其热效应相比于均匀抽运的情况并没有显著劣化,不论是采用锯齿形传播方式还是直线传播方式的激光器都可以获得较好的光束质量,当一束高斯激光直线经过板条晶体中部时,光束质量因子为1.4,若采用锯齿形传播方式,则光束质量因子可提高到1.1。     

激光束整形光学系统的设计与研究

提出了一种改善激光投线仪光束均匀性的新方法,该方法运用几何光线追迹的原理,对激光束通过带孔柱透镜的光路进行了计算,模拟了柱透镜内孔在不同大小、形状、透镜介质折射率等参数下的光束远场能量分布,获得了能量分布均匀的远场激光线.     

线阵激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器特性研究

依据四能级系统速率方程 ,推导出了多横模振荡固体激光器输出与输入参量的关系。对二极管抽运固体激光器中线阵激光二极管三向对称侧面抽运结构 ,计算了抽运光强分布 ,并就激光器的阈值抽运功率、近阈值条件下的斜率效率、输出功率和光束质量等与抽运参量的关系 ,进行了数值计算。由计算结果看出 ,线阵激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器中晶体半径和抽运光束腰半径是影响输出激光功率和光束质量的主要因素 ,并通过在谐振腔中加小孔选模 ,使光束质量得到明显改善。选择了一组三向侧面抽运结构参量进行了实验验证 ,实验结果与理论计算一致。     

瓦级激光二极管端面抽运351nm紫外激光器

研制了输出功率达瓦级的351 nm准连续紫外激光器。激光器采用激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YLF晶体和声光调Q技术,实现了1 053 nm准连续基波振荡。在结构简单的V型腔中,两块Li B3O5(LBO)晶体对基频光进行二倍频和三倍频,获得了高功率351 nm准连续紫外激光输出。在LD抽运功率为14 W、声光调Q激光器的调制频率为1 k Hz的工作条件下,得到351 nm紫外激光平均输出功率为1.12 W、脉冲宽度为34 ns、单脉冲能量为1.12 m J、峰值功率达32.94 k W。LD抽运光到351 nm紫外激光的光-光转换效率达到8%,电光效率为3.4%,光束质量良好。     

角锥棱镜腔激光二极管抽运被动调Q激光器

为了提高传导冷却条件下激光二极管(LD)侧向抽运被动调Q激光器的光束质量和输出稳定性,采用了两组半圆柱面激光二极管阵列侧向交错抽运两根串接的激光棒,实现了均匀抽运和散热。通过实验分析了横模结构对被动调Q稳定性的影响,设计了角锥棱镜-高斯输出镜非稳腔,在显著提高器件光束质量的同时,明显改善了被动调Q的稳定性,并保证了谐振腔的机械稳定性。在此基础上研制了一台重复频率20 Hz、单脉冲能量64 mJ、脉冲宽度7 ns、稳定性优于±5%、光束发散角0.6 mrad、光-光效率9.1%,且光轴指向稳定的工程实用器件。     

激光二极管列阵泵浦的位相共轭板条YAG激光放大系统

采用新型的微通道冷却半导体激光二极管列阵泵浦ＹＡＧ激光振荡器及板条ＹＡＧ放大器，文中用ＣＣｌ４受激布里渊散射作位相共轭镜，使激光在板条放大器中作多通放大，获得了高重复率下小于１．５倍衍射极限的高质量１．０６μｍ的激光输出，其脉冲宽度为１５ｎｓ，平均功率为１８０Ｗ。     

激光二极管泵浦高效Nd∶YVO_4／KTP腔内倍频激光器

报道了激光二极管泵浦的高转换效率Ｎｄ∶ＹＶＯ４／ＫＴＰ腔内倍频激光器。研究了泵浦光斑尺寸、谐振腔长、ＫＴＰ及Ｎｄ∶ＹＶＯ４的温度对输出绿光效率的影响。在输入泵浦功率为６６９ｍＷ时，获得绿光输出功率１５４ｍＷ，光－光转换效率达２３％。     

激光二极管纵向抽运（Tm，Ho）：YLF激光器的研究

对激光二极管端面抽运(Tm，Ho)：YLF固体激光器的激光特性进行了研究。根据激光二极管抽运准三能级系统的特性，详尽地分析了能量在Tm^3 离子和Ho^3 离子之间的传递过程，给出了(Tm，Ho)：YLF激光器准三能级的速率方程，对上转换及激光下能级粒子再吸收对激光二极管抽运(Tm，Ho)：YLF激光器运转的影响进行了理论分析，得出了(Tm，Ho)：YLF激光器的阈值抽运功率和斜率效率的解析表达式。同时对(Tm，Ho)：YLF微片激光器的激光特性进行了实验研究，当保持晶体温度为19℃时，阈值抽运功率为425mW，斜率效率为22．5％，最大光—光转换效率为17．4％，并且在将晶体保持在四个不同的温度下，给出了激光输出功率随抽运功率变化的实验结果。将理论与实验结果进行比较，发现吻合得比较好。     

Yb∶Y_2O_3陶瓷薄片激光器获得10.5 W连续激光输出

室温下采用中心波长约970 nm准直输出的大功率激光二极管模块作为抽运源,端面抽运双程吸收的腔型结构,抽运原子数分数为8%的Yb:Y2O3多晶透明陶瓷片获得连续激光输出。抽运阈值功率为7 W,当抽运功率达到35 W时,获得优化连续激光输出功率为10.5 W,光光转换效率为30%,斜率效率为37.5%。激光输出功率随抽运功率基本呈线性增长。采用更高功率抽运源、优化谐振腔结构和减小热效应的影响,Yb∶Y2O3陶瓷激光器的输出功率和效率将会得到进一步提高。     

二极管激光侧泵浦单横模100Hz电光调Q激光器

介绍了二极管激光侧泵浦单横模１００Ｈｚ电光调Ｑ激光器的实验结果。泵浦源为一个线阵准连续１００Ｗ二极管激光器，激光工作介质为ＮｄＹＡＧ薄梯形板条，板条与泵浦源间用柱透镜耦合，ＫＤ＊Ｐ电光晶体调Ｑ。在１００Ｈｚ重复频率下，获得单脉冲能量２．３７ｍＪ，脉宽小于７ｎｓ，光束质量因子Ｍ２＝１．１的１．０６μｍ激光，光－光效率为８．５％，斜效率为１８．７％。     

应用于光刻领域中的固态紫外激光源的制作

以半导体侧泵钇铝石榴石激光器为泵浦源,采用腔内泵浦两块三硼酸铯晶体,产生满足高功率与高光束质量要求的三倍频355 nm紫外激光.通过使用法拉第旋转器谐振腔优化设计与热效应补偿提高输出光的光束质量,并且使用体光栅作为输出镜,在实现线宽窄化同时保持准相位匹配的高效性能.该光刻用紫外激光源成功地替代准分子激光器,使用在一套大面积亚纳米级投影式光刻系统上,工作时紫外光输出功率为4.37W,光束质量因子为2.27.     

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。