边界主动加热管理平均功率普克尔盒热效应

建立了平均功率激光辐照下,边界主动加热的电光晶体内3维各向异性热传输有限元模型及其热应力双折射模型,在此基础上分析了等离子体普克尔盒热效应。提出了边界主动加热控制电光晶体横向温度梯度热管理思想,并给出平均功率普克尔盒的光开关性能。结果表明:对于50J/10Hz、光束口径为50mm×30mm的激光系统,普克尔盒最大退偏损耗为3.58%,平均退偏损耗为0.9%,波前畸变为1.59λ。采用边界加热控制后,当加热功率密度为500W/m2时,最大退偏损耗为0.17%、平均退偏损耗为0.05%、波前畸变为0.26λ,普克尔盒热效应显著降低,满足设计要求。     

掠入射板条放大器链的热效应模拟分析

对LD泵浦的掠入射板条放大器链系统激光介质的热效应进行研究。针对掠入射放大器结构建立了相应的热力学模型,对激光介质的温度场分布、热致波前畸变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、应力及应变的分布情况,并进一步讨论了板条厚度、泵浦尺寸以及种子光入射角对光程差和热透镜造成的影响。结果表明,随着泵浦光斑尺寸和种子光入射角的增大,光程差变小,热透镜效应减弱;板条厚度对光程差和热透镜的影响较小。模拟计算结果对于预测板条热效应的强弱、热效应的补偿,以及放大器链结构参数的设计提供了依据。     

高平均功率电光开关晶体热畸变分析

 深入分析了方板构型的电光开关晶体在高功率载荷条件下的热畸变行为，讨论了光强分布对热效应的影响。以KDP晶体为例，分别计算了激光束光强为高斯分布和均匀分布时晶体的温升、相应的热应力分布、波前畸变以及热退偏。结果表明，光强的分布形式对波前畸变和热退偏的影响是不同的。相对于光强均匀分布的激光束，高斯光束减缓了光斑边沿处的温度梯度，产生的热应力较小，因此可以减弱热退偏效应；另一方面，在光束口径范围内，高斯光束产生了附加的温度分布非均匀性，因而波前畸变会大一些。     

高功率二极管泵浦模块热效应补偿研究

分析了作为放大器应用的高功率二极管泵浦模块NdYAG圆棒的热效应,包括热透镜效应和热致双折射所引起的退偏效应及其补偿方法.在光路中加入合适的负透镜可以对特定工作条件下激光棒的热透镜进行较好的补偿;使用两个增益和荧光分布等参数完全一致的泵浦模块作为放大级,在其间加入90°石英旋转片和4F像传递系统可以较好的补偿热致双折射所引起的退偏效应.并且对以上方法进行了实验验证,取得了良好的补偿效果,提高了泵浦模块的提取效率和激光输出功率.     

自然双折射晶体中热致双折射效应的研究

激光振荡器和激光放大器中激光晶体的热效应对光束特性有着重要的影响,不仅改变了光束的波前,还影响了光束的偏振态。基于激光晶体内的弹光效应,通过对光率体的主轴化,研究了自然双折射晶体中的热致双折射效应。结果表明,弹光效应对自然双折射晶体光率体的影响主要表现为横截面内椭圆主轴的偏转,主轴偏转角度小于0.01°。在激光振荡器和放大器中,一束线偏振激光经过具有热效应的自然双折射晶体之后退偏率小于1.8×10-8,这种条件下热致双折射效应的影响可以忽略,这与光学各项同性晶体完全不同。     

流体直接冷却薄板条介质温度及应力的解析表达

基于对流传热和热传导原理, 建立了流体直接冷却均匀抽运薄板条激光工作介质的热效应分析模型, 采用平面应力近似和最小功原理, 得到了板条工作介质内部温度分布和应力分布的解析表达式. 研究了不同流道厚度时对流热交换系数和冷却液温升与流体流速的关系, 分析了流道厚度对工作介质的温度分布和应力分布的影响规律, 讨论了之字形和直通光路时, 热致波前畸变随产热功率的变化趋势. 结果表明: 层流和湍流时, 较厚的流道可以实现更好的热管理效率; 增益介质中的热分布关于中心平面对称, 纵向最大温升出现在出水口端, 最大应力畸变集中在板条两端及其侧边; 流道厚度较大时, 工作介质更易形成一维的温度梯度, 产生的应力更小; 之字形光路可以明显缓解热光效应导致的波前畸变.     

片状热容激光器热效应有限元分析

 基于激光介质的非均匀内热源模型，利用有限元数值方法，模拟计算了热容模式下高功率激光二极管阵列(LDA) 重复脉冲泵浦片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:热容模式下，当增益介质不能够被全口径泵浦时，也会出现严重的热效应，介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中，介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随泵浦光斑尺寸缩小而增大；而当全口径泵浦时，介质表面热形变大大减弱，较小的拉应力存在于介质内部，而且泵浦光斑和介质的几何形状对热分布有很大影响。结果还表明，介质片表面变形和热光效应是产生波前畸变的主要原因，而热应力双折射产生的附加相移与激光介质的切割方向有关，它对光束产生较大的退偏作用，从而影响激光器的输出性能。理论模型得到了实验结果的验证。     

高功率二极管端泵浦板条模块波前畸变实验研究

二极管激光器阵列端泵浦Nd:YAG板条具有热效应低、波前畸变小的特点,温度场和应力场的不均匀是引起板条增益介质波前畸变的主要原因。对端泵浦传导冷却Nd:YAG板条增益模块的泵浦和冷却均匀性进行了优化设计,获得了板条激光增益模块静态波前畸变最大偏差（PV）值为0.22 m。该模块用于双通放大器实验装置中,测试了板条增益模块有无注入功率条件下的波前畸变,测得无注入功率波前畸变PV值为3.49 m,能量提取后波前畸变PV值为3.41 m。在注入功率3120 W时,获得输出激光功率4660 W,光束质量为3.88倍衍射极限,该模块光光效率为27%。     

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.     

终态寿命对钕玻璃激光放大器的影响

本文用电子计算机模拟研究了终态寿命对钕玻璃激光放大器的影响。结果表明,对于一个φ20×480mm的钕玻璃激光放大器,当钕玻璃的终态寿命从100ns减小至1ns时,它对脉宽为20ns、能量密度为2.0J/cm²的输入脉冲的影响表现在:增益增加～20％;脉冲峰位畸变减小～20％;以及放大器的饱和长度减小～30％。 关键词：     

边缘抽运复合Yb:YAG/YAG薄片激光器设计与功率扩展

设计了边缘抽运复合Yb:YAG/YAG薄片激光器.薄片激光器的显著优点是热梯度和激光传输方向相同，减小了横向的温度梯度，解决了高功率激光器冷却和高功率抽运的矛盾，避免了放大的自发辐射. 与高功率棒状和板条激光器相比，一维空间冷却理论和边缘抽运理论可以获得更高的功率输出，列举了两种高功率Yb:YAG/YAG薄片激光器设计实例. 关键词： 固体激光器 薄片激光 边缘抽运 功率扩展     

直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响

近年来,直接液体冷却薄片激光器因其体积功率比小,热管理能力强等优势而成为研究热点.本文建立了一套直接液体冷却薄片激光器波前畸变的分析方法.应用该方法研究了直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响.计算分析了均匀性为92%, 80%和70%,且总的抽运功率不变时,激光器高阶像差分布情况.随着均匀性逐渐减弱,激光器中高阶像差逐渐增强,低阶像差量基本保持不变.实验中,设计加入波导和未加入波导结构,构建了均匀性为92%和70%的抽运光分布,分别测量了两种情况下的波前抖动情况以及波前畸变分布,抽运功率为5 k W时,测量获得了整个增益模块的光程差高阶分量(OPD_H),其畸变量均方根(RMS)值为0.66μm和0.79μm,实验结果和理论分析结果基本趋势一致.     

水冷10 Hz Yb:YAG激光放大器热管理

为了控制重频放大器的热致波前畸变,设计并加工了均匀冷却的背面水冷激活镜激光放大器,对放大器的热畸变特性开展了实验研究,实验发现在泵浦功率密度较高即重复频率达到10 Hz,平均功率密度达到200 W/cm2时,放大器的热畸变既影响远场分布又对近场产生显著的调制。近场的调制会给放大器带来较大的损伤风险。为了消除热畸变对近场的调制,首先对泵浦强度分布进行了匀化,然后对介质进行了边缘热平衡控制,消除了热畸变引起的近场调制。通过对上述因素的控制,采用水冷激活镜构型的四程放大器实现了在10 Hz频率下良好运行。在没有进行主动补偿的情况下,实现了远场焦斑优于5倍衍射极限的输出。     

二极管泵浦Nd:YAG圆片激光技术研究

介绍了热容激光技术的发展历史及现状,介绍了固体激光器热容方式工作的基本原理,报道了二极管泵浦NdYAG圆片激光器热容方式工作的实验结果.用热像仪测量了激光器工作时增益介质通光面上的温度分布特性;采用干涉测量的方法测量了工作中的增益介质的与光束传输方向相垂直的方向上的折射率分布特性;结果表明片状固体增益介质热容方式工作对振荡光束波前畸变影响很小.给出了与光束传输方向相垂直的截面上增益介质的荧光分布.得到输出平均功率达47.5 W,此时的光-光转换效率为17%.     

Nd:YAG薄片激光器热致波前畸变

 理论分析了激光二极管端面泵浦薄片Nd:YAG 激光器的激光介质热效应对波前相位分布的影响，给出了薄片激光器波前热畸变的计算公式。数值模拟了理想均匀泵浦及4阶超高斯泵浦下的波前分布，分析了介质厚度和泵浦均匀性与波前畸变量的关系。研究表明，介质越薄，激光泵浦光均匀性越好，泵浦功率密度越小，激光波前畸变越小；与介质厚度、泵浦功率密度相比，泵浦光光强分布对波前的影响更为显著。     

金属靶和绝缘靶对飞秒激光吸收的比较

利用脉宽为150fs、强度为8×10¹⁵W/cm²的P偏振飞秒激光研究了与 金属靶和绝缘靶 相互作用过程中的激光能量吸收、超热电子产额及超热电子能谱. 实验发现，由于绝缘靶电 导率小，因此其电荷分离势大于金属靶，从而导致绝缘靶比金属靶具有较小的激光能量吸收 、较少的超热电子发射和较高的超热电子温度. 关键词： 金属靶 绝缘靶 激光吸收 超热电子     

基于低相干光的阵列透镜束匀滑技术研究

基于激光加载的材料状态方程的实验研究对靶面光强分布的均匀性及稳定性提出了极高的要求,靶面光强的上述两大特性在很大程度上决定了实验结果的精度和可重复性.本文针对传统窄带高相干激光装置在激光加载材料状态方程实验中表现出的靶面光强均匀性和光强分布稳定性两方面可能存在的问题,提出了基于宽带低相干激光,利用消衍射阵列透镜联合诱导非相干技术的束匀滑方案,并重点分析了波前相位畸变对靶面不均匀性及稳定性的影响.模拟结果表明,该方法明显降低了靶面不均匀性,提高了对波前相位畸变的包容度,获得了均匀、稳定的光强分布.统计分析显示,焦斑强度分布极差和不均匀性与波前相位畸变均方根梯度相关性较强.因此,可以根据统计结果以及实验对焦斑强度分布的要求,给出波前相位畸变的容差范围,对状态方程实验中激光驱动器参数的设计与优化具有指导意义.     

用于激光推进的高功率激光器的选择

 从激光推进的要求出发，阐述了用于激光推进的高功率激光器的选择原则，即激光器必须满足：（1）高的平均功率和峰值功率；（2）高的单脉冲能量；（3）高的重复频率；（4）优良的大气传输特性。主要分析了目前YAG固体激光器、自由电子激光器和TEA脉冲CO₂激光器的特点，通过上述4个方面性能的比较，认为在目前水平下，TEA脉冲CO₂激光器是进行激光推进的首选强激光源，其优点表现在：功率可达10kW量级，单脉冲能量可达0.5~1kJ，重复频率为20~40Hz；激光波长处于大气传输窗口，对大气变化不敏感；工作物质快速流动，不存在热透镜效应和破坏阈值；相关光学元件易于制造；光束质量较好；运行成本低。     

Heating by Optical Absorption and Cooling of High Power Laser Mirrors

In high power laser system, laser mirror is the core and the most sensitive optical component, which influences the increase of laser power and the quality of laser. Absorption of light at mirrors causes wavefront distortions through the thermal deformations of substrates. The analytical solutions of the two-dimensional transient thermal theory of high power laser mirrors are developed, copious graphical results in our case are presented, and the predicted results are compared with those of the experiment.     

非均匀激光辐照下硅镜热变形对光束传输特性的影响

 使用有限元法计算了硅镜在DF化学激光器非稳腔输出的中空非均匀激光辐照下镜面温升和反射面面形随时间变化的特性,使用65阶Zernike多项式对镜面面形进行了曲面拟合,使用光线追迹的方法计算了平行光束经不同数量硅镜反射后的光束波前分布PV值、Strehl比和Zernike像差系数随时间变化的特性。计算结果表明：在典型的DF激光器输出的中空方形光束辐照下,硅反射镜的热变形将使反射光束产生波前畸变,波前畸变中,y方向像散项占据主要地位,其次是离焦项;随着激光系统中反射镜面数量的增加,高阶像差系数将逐渐增大,且波前PV值与反射次数成线性关系。