高功率双包层光纤激光器温度场动态分析

基于动态热传导方程,对高功率双包层光纤激光器的热效应进行了数值模拟,研究了高功率双包层光纤激光器内部温度场的空间及时间特性.计算表明,对于芯径为15 μm的光纤,开启泵浦光后约20 s光纤温度达到稳定值,关闭泵浦光后约20 s光纤冷却到室温,如采用脉冲泵浦,温度分布将随时间变化,波动频率与泵浦频率相同,泵浦频率越高波动越小,越接近相同平均功率的连续泵浦.     

高功率光子晶体光纤激光器温度分布研究

对高功率光子晶体光纤激光器温度分布问题进行了理论研究.在分析光纤热产生机理和结构的基础上,建立了双包层光子晶体光纤激光器稳态切面温度分布简单模型,数值模拟了光纤径向的温度分布、纤芯温度和纤芯-表面温差与纤芯热负载的关系,研究了光纤结构对温度分布的影响;并就激光器光纤泵浦端面的冷却方案进行讨论,数值模拟了外界对流系数不同时纤芯温度的大小.结果表明：对高功率光子晶体光纤激光器采用风冷和水冷的方法可以降低热效应的影响.     

掺镱双包层高功率光纤激光器热效应的理论研究

 针对高功率掺镱双包层光纤激光器（DCFL）的热效应，由热传导方程并借助速率方程模型导出温度分布的解析解，研究了泵浦方式和泵浦吸收系数对DCFL腔内温度的影响。结果表明：温度沿径向的变化与轴向相比可以忽略；采用传统端面泵浦会导致DCFL局部温度过高，实际中应使用两端对称泵浦方式；而减小泵浦吸收系数虽可改善温度特性但会降低系统的输出功率。进一步分析得出，综合采用分段泵浦方式和不均匀泵浦吸收系数可实现温度分布和输出功率的最佳匹配。     

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。     

高功率光子晶体光纤激光器实验研究

 从光纤热传导方程出发,研究了不同泵浦光吸收系数对光纤激光器沿光纤长度方向温度分布的影响。结果表明,低吸收系数光纤泵浦端温度相对较低,分布较为平缓,有效减缓光纤的热损伤。根据理论分析结果,实验中选择了吸收系数为1.45 dB/m的掺Yb³⁺双包层光子晶体光纤作为增益介质,在泵浦光功率为560 W时,获得了428.5 W的高功率单模连续输出,斜率效率为76.5%,光束质量因子M²<1.2。由于泵浦端光纤温度较高,实验中对光纤两端进行了主动冷却,并且在离光纤端面约25 cm处的光纤表面温度进行实时测量,结果发现随着泵浦光功率的增加,光纤表面温度均匀增长,最高温度为310 K,温度正常。     

高功率双包层光纤激光器热效应及功率极限

 基于稳态热传导方程,对高功率双包层光纤激光器的热效应进行了研究,分析了光纤尺寸、冷却条件、泵浦功率等因素对光纤温度场的影响。对给定参数的光纤,给出了理论功率极限。指出对于目前常用双包层光纤激光器,最大输出功率主要受各外包层材料的熔点和非线性效应限制,从而可以确定功率限制的瓶颈所在,提出有效的改进方案,如减弱或消除线性效应、提高外包层的耐热能及改进制冷方案。     

掺Tm~(3+)光纤激光器的热效应分析

随着泵浦源功率的提高和双包层抽运技术的发展,掺Tm3+光纤激光器的输出功率已达到kW量级,热效应逐渐成为限制掺Tm3+光纤激光器输出功率和光束质量提高的关键因素。主要分析了掺Tm3+光纤激光器的热效应以及一些常用的应对措施。     

千瓦级掺Yb3+双包层光纤激光器的热分析

针对千瓦级Yb3+光纤激光器的特殊结构,在同时考虑光纤表面的对流换热和辐射换热条件下建立了热传递模型和一维稳态传热方程.结合该稳态传热方程和光纤激光器的速率方程,数值模拟了正向泵浦1 000 W和双端泵浦两端各500 W的条件下沿光纤纵向和径向的温度分布.计算结果表明,双端泵浦的温度分布比正向泵浦的均匀,且光纤中的最高温度比正向泵浦时下降了135.9℃.将考虑辐射换热时光纤的温度分布和忽略辐射换热时的结果进行对比,后者的温度比前者高得多,表明辐射换热是光纤激光器非常重要的换热方式.最后,分析了双端泵浦以及光纤长度不变的条件下纤芯半径、包层半径以及表面传热系数对光纤内温度分布的影响.结果表明纤芯半径不会影响光纤表面温度,而加大表面传热系数以及增大包层半径可以有效地降低光纤表面及内部温度.     

侧面泵浦高功率双包层光纤激光器的表面弧形金属槽结构的制作和分析

侧面耦合高功率泵浦光技术是获得高功率稀土光纤激光器的关键技术之一。介绍了一种用于侧面泵浦高功率双包层光纤激光器的表面弧形金属槽结构的制作工艺,并且针对已经实验制作出来的表面连续弧形金属凹槽的侧面耦合结构进行了严格的矢量电磁场理论计算,将120°弧形凹槽等效近似为多层等高不等宽的矩形槽并运用透射矩阵算法对这种近似后的多层矩形结构进行优化设计。这种结构可以用于大功率激光二极管阵列的侧面泵浦中,尤其可用于条形半导体激光器侧面泵浦双包层掺杂光纤,以制作各种大功率稀土光纤激光器。     

双包层光纤折射率研究及纤芯结构优化设计

采用Matlab和Comsol建立单模光纤内激光传输模型,对双包层内光纤折射率和纤芯结构对光能量分布的影响进行了理论研究。系统分析了光纤芯径与数值孔径、归一化频率和功率填充因子的关系,依据得到的结果进一步采用多模物理耦合仿真方法对不同类型的单模双包层光纤纤芯的能量分布进行仿真,探索了不同折射率分布情况对纤芯能量分布的影响。计算和仿真结果表明:凹面折射率分布光纤的光斑模场面积最大,单位面积的功率分布最低。针对大功率光纤激光器的应用需求设计了工作波长为1.064 m、纤芯直径为10 m、凹面直径为8 m、数值孔径为0.12的单模凹面折射率双包层光纤,为提高光纤泵浦效率、降低纤芯的能量密度提供了思路。     

光纤陀螺光纤环的热应力分布仿真分析方法

针对光纤线圈较容易受温度影响的问题,从热至应力的角度,推导了由热应力导致的光纤陀螺的相位差离散数学公式,并在此基础上,对四级对称绕法绕制的无骨架光纤环建立了有限元模型。结合光纤陀螺工作环境的栽荷和边界条件对其不同温度下的热应力分布进行仿真分析。仿真分析结果表明,光纤环内侧受到的热应力较大,高低温下热应力值分别达到最大和...     

光学窗口材料激光辐照热-力效应的解析计算研究

建立了高功率连续激光辐照透明光学材料的热力学模型,通过积分变换方法求解三维热传导方程,得出了激光辐照引起的瞬态温度场分布的精确解析解,并在此基础上进一步求得热应力场的瞬态分布。以1.315μm的高能氧碘激光辐照熔石英玻璃为例,计算了熔石英在激光辐照下的温度场与热应力场分布,分析了其激光损伤机理。研究结果表明由于熔石英具有优良的热稳定性,温度不均匀分布所产生的热应力相对较小,激光损伤主要是受辐照区域温度值超过材料熔点发生熔融破坏。理论分析结果与相关的实验结论一致,说明所建立激光辐照效应模型的合理性。     

Thermal effects in high-power Nd:YAG disk-type solid state laser

An investigation of thermal effects in a high-power Nd:YAG disk-type solid state laser pumped with different pump beam transverse profiles is carried out by numerical simulation based on the finite element method (FEM). Impact of the heat sink on the thermal effects is included in the simulation. The distribution of first principle stress, thermally induced birefringence, including the distribution and variation of the birefringence loss, are studied. The characteristics of the phase variation are analyzed with consideration of the temperature gradient, deformation, strain and thermal stress. Thermal lensing is explored as a function of pump power and of the radius pumped with different pump beam transverse profiles. The non-parabolic part of optical phase distortion is simulated. Furthermore, the characteristics of the bi-focus of the disk laser are also studied. Experiments on the maximum tensile stress distribution and depolarization loss are carried out. The presented calculations are in qualitative agreement with the experimental observations.     

波段外脉冲激光对锗透镜热冲击效应的数值与实验研究

基于热传导及热弹性力学的基本关系式,建立了激光辐照锗透镜的热力耦合数学物理模型,对瞬态热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,得到了锗透镜的温度场和应力场分布,并利用波长1.06 μm,脉冲宽度10 ns的Nd∶YAG脉冲激光对锗透镜进行了热冲击实验研究.数值分析表明,热应力损伤在锗透镜的脉冲强激光损伤中占据主导地位,在短脉冲激光辐照下,锗透镜出现热应力损伤的激光能量密度小于出现熔融损伤的激光能量密度,热应力损伤主要集中在光斑中心区域并体现为压应力损伤,将使材料表面出现裂纹或剥落,实验结果与数值分析基本相符.     

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。     

传导冷却单巴高功率半导体激光器热应力和smile研究

利用有限元模型分别研究了回流过程和工作过程中传导冷却高功率半导体激光器的正应力、切应力和形变,并借助理论公式分析了热应力和smile的产生原因和分布规律.分析表明,在回流过程中热膨胀系数不匹配造成的切应力是正应力和变形的根源,而在工作过程中,热膨胀系数不匹配和温度梯度共同影响着热应力和变形.在此基础上,将回流导致的剩余应力和变形作为初始条件施加在有限元模型上,对工作状态器件的热应力和smile进行模拟,以获得更精确的模拟结果.最后,通过有限元模型和实验手段研究了不同热沉温度对smile的影响.结果表明,工作过程会导致器件的smile增大,热沉温度的升高也会造成smile进一步增大.     

高功率双包层光纤激光器

介绍了高功率双包层光纤激光器的结构和工作原理，综述这种新型光纤激光器的主要特点及其在国内外的最新进展状况，展望了双包层光纤激光器的应用前景。     

Fiber core mode leakage induced by refractive index variation in high-power fiber laser

This paper presents an investigation of specific optical fiber core mode leakage behavior that occurs in high-power double-clad fiber lasers as a result of thermally-induced refractive index variations. A model of the power transfer between the core modes and the cladding modes during thermally-induced refractive index variations is established based on the mode coupling theory. The results of numerical simulations based on actual laser parameters are presented. Experimental measurements were also carried out, the results showed good agreement with the corresponding simulation results.