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。     

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。     

LDA侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应分析

 在高斯光强近似下对泵浦LD光强分布模型进行修正，建立了LDA侧面泵浦固体激光介质内热源分布的数值模型。用有限元法计算模拟了三角均匀分布侧面泵浦结构激光棒瞬态温升过程及稳态温度分布情况。讨论比较了泵浦源的高斯强度近似和均匀强度近似下激光棒内温度分布情况，并对激光棒的类热透镜的焦距进行实验测量。实验和数值计算说明了LDA泵浦结构和冷却场的非均匀分布使实际温度场偏离均匀泵浦时的二次曲线分布模型，激光晶体热效应产生的类透镜会聚作用的不对称导致了激光器输出光束质量在x，y方向上的不同。     

二极管泵浦激光器中泵浦光分布对激光器模式影响程度的计算方法

在激光器中,通常泵浦光呈不均匀分布,由此引起介质的增益也相应地出现不均匀分布,导致振荡光通过增益区时其分布发生变化。提出一种计算不均匀的泵浦光分布对于激光器内振荡光模式的影响程度,可以近似获得振荡光对原来场分布偏离的百分比的方法。在此基础上,对准连续运转的三向侧面泵浦激光器进行研究,分析不均匀泵浦光分布对振荡光场影响的规律。结果表明:当泵浦功率增加或谐振腔内损耗增加时,振荡光通过增益区时对原来分布的偏离程度也同时增加,呈单调变化关系;泵浦光不均匀分布对振荡光场的影响,与其沿振荡光轴向上的分布无关,仅仅取决于其在与振荡光垂直方向上的不均匀分布程度。通过计算还获得了此类效应的数量级,在2 000 W泵浦功率条件下,这种影响仅使振荡光偏离理想分布不到4%,而泵浦功率达到6 000 W时这种偏离则高达20%以上。     

二极管泵浦高功率薄片激光器关键技术

固体激光器向高平均功率发展存在的最大问题是沉积在激光介质里的废热。废热的消除将导致热透镜、机械应力和退偏等效应，并由此造成光束质量的退化，激光功率的降低，甚至可能造成介质的断裂。采用薄片激光器设计可以允许介质具有高的泵浦功率密度而不产生显著的温度梯度，当泵浦区尺寸远大于薄片厚度时，热流可认为是沿厚度方向的一维分布。合理设计泵浦耦合结构，可以使薄片径向温度分布近似均匀，从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。因此薄片激光器可以定标放大到很高的平均功率。     

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%.     

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。     

二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器技术研究

固体激光器向高平均功率发展的最大障碍是激光介质的热效应.采用薄片激光介质可以实现热流近一维分布,因而是解决固体激光器热效应的有效手段之一,但许多因素都会影响薄片的一维热分布.对薄片热分布的主要影响因素进行的计算分析表明,在均匀泵浦条件下,泵浦区径向温度的均匀性不仅和泵浦区面积与薄片厚度之比有关,而且和冷却区与泵浦区的相关尺寸有关.采用均匀耦合技术并合理设计薄片的散热冷却结构以实现热流近一维分布,用平均功率336 W的激光二极管阵列泵浦一块NdYAG薄片,获得了平均功率超过120 W的准连续激光输出.     

高功率半导体泵浦固体激光器输出特性的研究

通过实验详细测量了水温、工作电流对二极管激光器发射波长的影响;采用光线追踪法模拟计算出在不同泵浦参数下半导体泵浦光在NdYAG棒内的分布情况,得到了圆周上泵浦模块的个数,泵浦光发散角等因素对泵浦光分布均匀性的影响.采用直接泵浦方式,分别设计了二种不同功率水平的半导体泵浦的NdYAG固体激光器聚光腔,得到了170和800 W的输出功率,并对激光器的输出特性进行详细测量,最大光-光转换效率达37%,电-光转换效率约为16%.     

二极管侧面泵浦薄片激光器泵浦均匀性分析

 建立了二极管侧面泵浦复合薄片激光介质Nd:YAG/YAG的数值模型：二极管阵列的快轴垂直于薄片激光介质表面的排布,二极管对称排列在增益介质的周围,从侧面进行泵浦,通过微柱透镜对二极管的快轴进行准直。模拟并实验研究了激光二极管慢轴方向的远场分布特性,结果发现在近距离时激光二极管慢轴方向上的远场分布近似为高斯分布。对于二极管参量,研究发现泵浦二极管越多,增益介质内泵浦光分布就越理想;增益介质吸收系数越小,泵浦的均匀性就越好,但总的吸收效率下降;二极管与工作物质的距离越近,工作物质靠近中心的区域对泵浦光的吸收就越多,但泵浦的均匀性就越差。选用增益介质为Nd:YAG/YAG的复合薄片介质,当掺杂原子分数以及增益介质的吸收系数不同时,发现0.6%掺杂的增益介质(吸收系数为0.24 cm^-1)的泵浦均匀性比1%掺杂(吸收系数为0.51 mm^-1))有明显改善,实验结果与模拟结果一致。     

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路（TTL）信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。     

LDA侧面抽运棒状激光器热透镜效应的有限单元法分析

建立了激光二极管阵列端面抽运棒状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的热力学参量随温度的变化,根据经典热传导方程和热弹性方程,运用有限单元法,得出了棒状介质内瞬态温度、热应力和应变的分布.分析了热透镜焦距随抽运功率的变化规律,所得的规律与有关文献相符合.理论分析结果可为激光二极管阵列抽运固体激光器的结构优化设计和实验提供理论参考.     

激光二极管阵列端面抽运复合棒状激光器热效应的有限元法分析

建立了激光二极管阵列(LDA)端面抽运棒状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,运用有限元法得出了复合棒状介质和未复合棒状介质内瞬态温度、热应力和应变的时空分布,分析了温度、热应力和应变随抽运功率、换热系数和时间的变化规律.结果表明,复合棒的最高温度、最大张应力和最大轴向应变的位置与未复合棒不同,并且数值分别为未复合棒的73%,60%和33%.由此可知,利用复合棒可极大地减小热效应的影响.理论分析结果可为LDA抽运固体激光器的结构优化设计和实验研究提供理论参考.     

环形激光二极管抽运棒状激光器中瞬态温度和热应力分析

直接从激光二极管发光强度的角分布出发,采用光线追迹方法获得激光棒内的热沉积分布,在此基础上采用热传导模型和热力模型,比较了不同抽运功率、不同棒半径下达到稳态温度分布的时间,并且对稳态和瞬态热应力进行了详细模拟计算。结果表明,采用环形激光二极管阵列侧面抽运的棒状激光器中的热效应问题十分严重,不同的抽运结构参量下,温度分布不同;达到稳态所需时间随棒半径增大而增加,而不受抽运功率的影响;抽运功率越大,棒内温差增大,热应力也越大;热破坏主要集中于激光棒中心区域和表面区域。     

数值模拟抽运分布对端泵激光器晶体热透镜球差的影响

为了研究端面抽运情况下,激光晶体在不同分布的抽运光抽运时热透镜球差的变化,通过对稳态热传导方程和Zernike多项式的求解,建立了热透镜球差与抽运光强度分布的模型,对模型进行了理论分析和仿真研究,并对仿真结果做了进一步理论和仿真分析.结果表明:在相同的抽运功率下,二阶超高斯分布抽运光抽运时球差最大,且随着抽运分布系数k的增大(除高斯分布外)球差逐渐减小;随着抽运功率的增加,抽运分布系数k对球差的影响逐渐加重,且不同分布系数k所产生的球差差距逐渐增大;并对二阶超高斯分布抽运光抽运得到最强激光功率的照射范围进行了理论分析和仿真分析,得知在相同抽运功率下,二阶超高斯分布抽运光得到最强激光功率的范围最宽为0.30—0.63倍高斯半径.     

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。     

薄片激光器热效应及其对输出功率的影响

建立了光强分布为高斯型的抽运光端面单程抽运时薄片激光器的温度模型, 实验测量了不同抽运功率下薄片介质表面的 温度分布、温度随时间的变化特性以及介质表面的温度差. 采用Hartmann法测量了薄片介质的热焦距. 考虑热焦距随抽运功率的变化, 基于四能级系统薄片激光器的速率方程组, 建立了薄片激光器热效应对输出功率影响的物理模型, 薄片激光器输入-输出功率曲线与实际相符. 所得结果对薄片激光器的设计和优化具有一定的指导意义.     

气冷涡轮叶片传统热分析中热边界条件的影响

以MarkII气冷涡轮叶片为研究对象,考察了换热系数分布对叶片外表面温度分布的影响。首先分别以温度和换热系数实验值作为热边界条件验证了固体导热计算方法和CFD程序的有效性,然后分析了6种典型热边界条件下的叶片外表面温度分布,并与实验值进行对比。由分析结果可知:叶片外表面温度与换热系数紧密关联,经验关联式(层流、湍流)条件下预测得到的温度偏差较大,当换热系数由能考虑边界层转捩影响的CFD计算得到时,预测得到的温度与实验值较为接近。     

脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器时变热效应分析

建立了激光二极管阵列(LDA)侧面泵浦棒状Nd:YAG增益介质时变热效应理论计算模型。采用有限元Ansys软件模拟分析了脉冲LDA侧面泵浦大能量固体激光器的时变热效应特性。研究结果表明,所研究的脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器热效应具有时变特性,介质横截面内中心点处的稳态温度场分布随时间呈锯齿形周期变化,锯齿形变化频率为LDA泵浦频率,脉冲LDA泵浦参数对介质稳态温度场分布有较大影响。分析和计算了介质内热梯度、应力双折射以及激光晶体端面效应等导致的晶体热透镜焦距。计算表明,介质的热焦距主要来源于介质内温度梯度引起的热透镜焦距。     

Analysis of temperature distributions in diode-pumped alkali vapor lasers

Assuming the pump light to be a Gaussian beam and considering the medium absorption, we establish the heat conduction model to describe the temperature distribution in diode-pumped alkali vapor lasers (DPALs) with two different pumping ways. Combining with the experimental parameters in cesium laser, the spatial temperature distribution picture, the longitudinal and the radial temperature distributions of two cesium lasers are obtained by numerical solving the model. Influences of the pump power, the beam waist and the absorption coefficient on the axial and the radial temperature distribution are calculated and compared for the two Cs lasers. The result suggests that Cs laser pumped by two laser diode arrays can improve the spatial temperature distribution condition and reduce the longitudinal temperature gradient, which is good for reducing the thermal effects and improving the output characteristics of DPALs.