LDA侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器模拟与实验研究

介绍了一种激光二极管叠阵（LDA）侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器构型，采用三维光线追迹方法进行了详细的模拟仿真，优化设计了此放大器系统的泵浦耦合结构，主要研究了多边形增益介质的掺杂离子浓度与侧面切角对介质内部泵浦光分布的影响。在晶体厚度1.5 mm、端面口径16 mm的条件下，侧面切角在35°～65°，Nd3+掺杂浓度为0.20 at.%～0.30 at.%时，模拟仿真中Nd:YAG多边形薄片对泵浦光的吸收分布较均匀，泵浦光分布均匀性均优于0.1，同时在实验中得到了平顶的荧光分布和增益分布。介质内储能的均匀平顶分布有利于实现高功率高光束质量的激光输出，为侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光器系统的设计与进一步实验提供了重要参考。     

激光二极管叠阵侧面泵浦多边形Nd∶YAG薄片激光器泵浦均匀性模拟仿真

阐述了一种激光二极管叠阵以zigzag方式侧面泵浦多边形Nd∶YAG薄片放大器的模拟研究,建模对Nd∶YAG晶体内泵浦光的吸收情况进行了深入的数值模拟与分析,研究了晶体的Nd~(3+)掺杂浓度对泵浦光分布均匀性的影响。研究表明,采用多个方向泵浦和zigzag泵浦方式易于实现介质内泵浦光的均匀分布,在晶体的Nd~(3+)离子掺杂浓度为0.25at.%时,仿真得到的泵浦光吸收分布为平顶型,分布的均匀性均为0.0505。对侧面泵浦多边形薄片激光放大器的进一步研究提供了参考。     

100W二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器

 报道了一台高效率二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器，采用高效均匀泵浦耦合技术，在峰值功率1.008kW，占空比25％, 电-光效率大于45%的二极管激光阵列泵浦下，用一块1mm厚的Nd:YAG薄片激光介质，获得了峰值功率404W，平均功率101W的准连续激光输出，光-光效率达到40%，电-光效率超过18%。     

高功率二极管泵浦激光模块技术研究

 开展了二极管泵浦棒状Nd:YAG激光模块技术研究，在数值模拟激光模块增益分布的基础上对耦合结构进行了优化，初步研制出了高增益振荡级激光模块及高储能放大激光模块。实验结果表明，振荡级激光模块泵浦均匀且增益较高，TEM₀₀模输出情况下单脉冲能量为11.8mJ, 光-光效率为 15%；放大模块在500Hz重复频率下获得了单脉冲400mJ的储能。     

高功率二极管列阵泵浦固体激光泵浦耦合优化设计

 高功率二极管阵列泵浦固体激光系统的核心在于泵浦耦合技术,泵浦耦合直接决定了系统的成本、增益能力、增益均匀性、泵浦引发动态波前畸变和泵浦引发动态光束漂移等关键问题。通过对用于高功率二极管列阵泵浦固体激光系统泵浦耦合优化设计的3维光线追迹方法的研究,从二极管发光远场属性出发,建立其理论计算模型,对高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器的一种新型耦合方式——二极管列阵拟球面排列、空心镀银导管耦合进行了优化设计,并开展了泵浦耦合效率、泵浦场均匀性、泵浦场传输性等实验研究,实现了72%耦合效率、5 mm内80%传输效率的均匀平顶泵浦耦合场输出,理论计算与实验结果符合较好。     

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。     

二极管泵浦Nd:YAG激光器

长期以来Nd:YAG激光器都是用闪光灯泵浦的。由于闪光灯的使用寿命有限,空间激光界的人们转而研制二极管泵浦激光器。最先泵浦用的激光二极管是GaAlAs双异质结激光二极管,它能在最佳泵浦波长808nm处连续工作。目前可用的激光二极管的泵浦效率可达20％或更高。根据速率方程,我们分析了Nd:YAG材料的能量转换过程。增益系数主要依赖于泵浦的通量密度和波长,而功率转换效率主要依赖于通过介质的1.06μm激光的通量密     

LDA侧面泵浦固体激光器泵浦结构参数优化

为LDA侧面泵浦Nd∶YAG棒状固体激光器的优化设计、参数选取及后续试验提供了理论依据和参考,建立了环形侧面泵浦棒状介质泵浦光场分布数值计算模型,研究了LDA侧面泵浦固体Nd∶YAG激光器泵浦光场的分布特点。模拟分析了LDA的bar间距、玻璃管厚度、激光晶体半径等几个主要泵浦结构参数对泵浦光场分布的影响。通过对不同泵浦参数下泵浦光分布特性的数值计算,优化了LDA侧面泵浦固体激光器的泵浦结构参数,优化后的仿真结果表明:在泵浦距离为2 mm条件下,晶体直径为4 mm,玻璃管套筒厚度为1 mm,冷却水层厚度为1 mm时,泵浦光在晶体中心处强度相对值为40.8%,在晶体轴心附近分布比较均匀,且均匀分布区域相对较大。     

12 kW占空比为15%的二极管泵浦激光模块

开展了高储能、高占空比二极管泵浦激光模块的研究工作,针对影响激光介质增益分布的相关因素进行了理论和实验研究,研制出了高占空比、高储能二极管泵浦激光模块.该模块采用了144个激光二极管对直径为8 mm的NdYAG进行泵浦, 获得了均匀的增益分布和单脉冲能量700 mJ的储能.在该研究中,数值模拟了激光介质的增益分布,确定了激光模块的耦合结构,针对二极管线阵的高功率排热需求,研制了高效率微通道冷却结构,并完成了激光模块内部结构的模块化设计和激光模块性能参数的测试.     

二极管叠阵侧面折返泵浦多边形薄片激光器

本文报导了一种二极管叠阵侧面折返泵浦的多边形薄片Nd:YAG激光器,通过对其增益特性和光学特性的优化,得到了泵浦光耦合效率为97%,增益介质吸收效率达87%,增益介质内泵浦吸收分布均匀性为3.21%(root mean square, RMS)的结果.实验测得与模拟数据吻合较好的增益介质荧光分布.在泵浦能量为2.2 J时,获得了能量0.85 J的激光输出,光-光效率达38.8%,斜效率为40.1%.在1 Hz～100 Hz的频率范围内输出能量保持稳定,在重复频率1 Hz时测得单脉冲能量稳定性为2.7%(RMS),在稳腔下测得激光衍射极限倍数b约为10.     

Investigation of laser diode face-pumped high average power heat capacity laser

The three-dimensional (3D) pump intensity distribution in medium of the laser diode (LD) pumped highaverage power heat capacity laser is simulated by the ray tracing method, and the divergence characteristicsof fast axis and slow axis of LD are simultaneously considered. The transient 3D temperature and stressdistributions are also simulated by the finite element method (FEM) with considering the uneven heatsource distribution in medium. A LD face-pumped Nd:GGG heat capacity laser is designed. The averageoutput power is 1.49 kW with an optical-optical efficiency of 24.1%.     

高功率叠阵二极管激光器光束整形

采用光线追迹法详细分析线阵二极管激光器经微球面柱透镜快轴准直后的光强变化情况,利用快轴准直微球面柱透镜的球差可调整输出激光光强分布的特性,得出了快轴准直输出发散角约5°时光强分布具有较好的平顶形式。根据叠阵二极管激光器输出光的特点,设计了由25个二极管激光器组成的叠阵二极管激光器的光束整形输出系统,该系统由快轴准直微透镜、快轴耦合透镜和慢轴耦合透镜组成,把需要泵浦的激光介质薄片设计在快轴耦合透镜的焦点上,并且在慢轴耦合透镜的成像面附近,得到了7mm×8mm的泵浦光斑,光强不均匀性约10%,输出效率达到85%。     

体布拉格光栅外腔半导体激光器的光栅旋转角度容差

采用步进电机控制光栅角度,对200 m和600 m圆柱透镜准直的体布拉格光栅（VBG）外腔单管C封装半导体激光器进行了系统研究。实验结果表明:激光二极管（LD）驱动电流越大,准直效果越好,VBG的角度调整容差越小;快轴方向的准直效果越好,慢轴方向的光栅调节角度容差越大;对于衍射效率28%、厚1.4 mm的光栅,LD快轴发散角为7.3 mrad时,快轴方向的角度容差不大于3.2 mrad,慢轴方向的角度容差较快轴大约一个数量级。     

半导体激光器堆栈填充因子对慢轴光束准直的影响

为实现基于微透镜阵列的高功率半导体激光器堆栈光束整形,对带有快轴准直透镜的高功率半导体激光器堆栈慢轴光束准直技术进行研究。在慢轴光束准直理论分析基础上,着重研究了慢轴填充因子对其光束准直的影响,并对不同填充因子的半导体激光器慢轴光束准直方案进行了分析。针对实际使用的填充因子0.5的高功率半导体激光器堆栈采用以Bar条为单元进行整体准直设计,并采用基于空间扫描法的发散角测试装置对慢轴准直后剩余发散角进行测试,实现准直后剩余发散角半角2.12°,实验表明该准直方法的有效性。     

Comparison of different side-pumping configurations for high power laser diode pumped solid-state laser

Ray-tracing method is used to simulate the distribution of absorption in crystal rod for different side-pumping configuration. The distribution of pumping power and absorption efficiency is compared, and the numerical results are presented. The results show that the more uniform pumping and the higher absorption coefficient are obtained with a diffuse cavity. And the method of the slow axis of laser diode stack perpendicular to the axis of lasing gives the higher central pumping density.     

LDA侧面泵浦薄片激光器的泵浦光和温度分布

建立了激光二极管阵列(LDA)环绕侧面泵浦复合薄片激光器的数值模型,LDA的快轴垂直于薄片表面并被压缩。依据LDA的输出光束特性,考虑到介质与空气的对流热交换和材料热导率的温度相关性,根据经典热传导方程,运用有限单元法,得出了薄片内的泵浦光和温度分布。分析了LDA个数、泵浦距离、吸收系数和光束发散角对薄片内泵浦光分布和吸收效率的影响规律,讨论了温度与泵浦功率、换热系数、冷却液温度和时间的变化规律,所得的有关规律与相关实验相符合。计算结果可为LDA泵浦固体激光器的结构优化设计和实验研究提供理论参考。     

激活介质热效应对振荡模式的影响研究

理论分析了激活介质热效应对端面泵浦固体激光器激光振荡模式分布的影响,并以光纤耦合半导体激光器端面泵浦Nd∶YAG激光器实验研究了激活介质热效应对激光振荡模式的影响。实验结果表明：由于热效应,基模的模体积随泵浦功率的增加而变大,基模在模式竞争中占优;在泵浦光轴线偏离几何腔轴时,基模光斑中心位置朝泵浦光轴线所在位置移动,偏离量与泵浦光轴线的偏离量近似成线性关系。利用实验结果指导腔调节,可使泵浦光轴线与几何腔轴精确重合,获得了椭圆率为0.98、M2因子为1.01的基模输出。     

The analysis of the transient temperature distribution of double-slab Nd:YAG laser medium

A novel double-slab Nd:YAG laser, which uses face-pumped slab medium cooled by liquid with different temperatures on both sides, is proposed. The thermal distortion of wavefront caused by the non-uniform temperature distribution in the laser gain media can be self-compensated. According to the method of operation, the models of the temperature distribution and stress are presented, and the analytic solutions for the model are derived. Furthermore, the numerical simulations with pulse pumping energy of 10 J and repetition frequencies of 500 and 1000 Hz are calculated respectively for Nd:YAG laser medium. The simulation results show that the temperature gradient remains the approximative linearity, and the heat stress is within the extreme range. Then the absorption coefficient is also discussed. The result indicates that the doping concentration cannot be too large for the high repetition frequency laser. It has been proved that the high repetition frequency, high laser beam quality, and high average output power of the order of kilowatt of Nd: YAG slab laser can be achieved in this structure.     

多波长半导体激光阵列端泵Nd:YAG脉冲激光器

研制了无温控多波长激光二极管阵列端面泵浦Nd：YAG电光调Q激光器。采用4 000 W多波长准连续激光二极管阵列作为泵浦源,快轴准直镜与透镜导管作为泵浦耦合系统,端面泵浦φ6 mm×60 mm的Nd：YAG晶体,并采用RTP晶体进行电光调Q实验。在重复频率5 Hz、室温（25℃）时,激光器获得了最大输出能量74.4 mJ、脉宽15 ns的1 064 nm脉冲激光输出,光光转换效率达到11%。在25~55℃的工作温度下,对多波长LDA的光谱特征与激光器的输出特性作了测试,激光器输出能量随着工作温度的上升而先迅速下降再逐步保持稳定,当重复频率分别为5 Hz和10 Hz时,激光器对应的最低输出能量分别为48 mJ与37 mJ。     

大口径谐振腔式固体激光中的动力学不稳定性研究

大口径谐振腔式固体激光定标到足够高功率后,由于非稳定腔内激光不对称振荡导致介质上激光强度横向不均匀,激光提取与介质产热耦合会引起激光输出功率和光束质量在时域上的不稳定性。针对三种激光器构型:Nd:YAG薄片、Yb:YAG薄片和浸入式液冷叠片激光器,通过理论分析与数值模拟揭示了其各自不同的光热耦合机制及其影响因素,给出了激光输出的瞬态演化规律。结果表明,前两种构型中基于激光动力学的光热耦合具有饱和效应,其动力学不稳定性只出现在特定参数区间,可以通过恰当的设计加以避免;第三种构型中动力学不稳定性表现出明显的阈值特征,在强光状态下只能通过减少冷却液吸收系数来抑制。