激光二极管端面泵浦多段复合板条激光器热效应

针对激光二极管端面泵浦的多段渐变浓度复合板条激光增益介质,提出了两种选取掺杂浓度的方法,并分别计算了多段渐变浓度复合板条增益介质的热量、温度及应力分布.结果表明,与单一掺杂浓度板条增益介质相比,采用多段渐变浓度复合增益介质可显著降低增益介质内部的温度梯度及最大热应力,从而提高了激光器整体的损伤极限泵浦功率,有利于激光器的功率升级.     

侧面抽运板状激光介质的热汇冷却

高热负荷固体激光介质的热效应已经成为制约激光器功率进一步提高的严重障碍,只有对激光介质进行有效的冷却才能保证其安全运行。以不均匀换热系数模型为基础,研究了具有非均匀内热源的侧面双向抽运板状激光介质在狭窄通道强制对流冷却情况下的耦合换热问题,对热汇冷却方案下介质的温度分布和热应力分布进行了数值模拟和分析,并对复合介质、蓝宝石和金刚石三种热汇材料进行对比。结果表明,忽视换热系数的非均匀性将导致应力计算结果偏低。对于侧面抽运、侧面冷却的激光介质,金刚石热汇冷却方案最佳,蓝宝石热汇方案次之,而复合介质方案不宜采用。     

The Temperature Distribution in Longitudinally Pumped Ti:sapphire Lasers

l.IntroductionItiswe1lknownthatthetemperaturcofaso1id-statelasermediawillgethighwhenitispumPedbyflash-lamporlaser,x`hichwi1l1eadtohigheroscillationthersholdandlowerefficiency.Duetotheinhomogeneouspumpandtheinhomogeneouscool,thetem-Peraturedistributioninthemediabecomesinhomogeneoussothattherefractiveindexofthemediachangesinhomogeneouslyandtheheatlenseffectwillbegenerated,whichwillaffectontheosci11ationthreshold,efficiency,andotherlaserparameters.Itisessentia]andimportanttoknowthetemPeraturedis…     

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.     

板状激光振荡介质温度场和应力场的数值模拟

以非均匀内热源模型为基础,并考虑材料的导热系数和热膨胀系数的温度相关性,利用有限元方法,对板状激光振荡介质在不同功率和冷却强度下的温度和热应力分布进行了数值模拟及分析。根据计算结果提出了最大有效换热系数的概念,指出换热系数超过最大有效换热系数后,继续强化传热对减小高功率激光器的热效应已无明显效果。以此得出采用常规冷却技术所允许的最大泵浦加热功率。     

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。     

固体热容激光器冷却方式的数值模拟

 固体热容激光器连续运转一段时间后，需要进行冷却，以进行下一次运转，因此冷却速度直接影响着热容激光器运转的效率和实用性。从热传导方程出发，以沉积热为内热源模型，利用有限元分析方法对激光二极管阵列从4个方向对称泵浦的板条Nd:GGG激光介质的温度场和和热应力场进行了数值模拟。并对冷却阶段分别采用过冷气体、水循环、喷雾、相变冷却方式时的介质温度和应力随时间变化过程进行了模拟。结果表明在相同条件下采用相变冷却方式能在较短时间内将介质冷却到初始温度。     

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.     

波面热畸变自校正型板条增益介质的瞬态温度分布

提出一种新的激光增益介质板条抽运结构,这种结构能对由激光增益介质板条温度分布不均所造成的波面热畸变实现自校正,并建立了这种抽运结构下激光增益介质板条的瞬态温度分布理论模型,通过解热传导方程,推导出板条增益介质的瞬态温度分布的解析表达式。同时对抽运参量分别为抽运脉冲能量为5.8×104J、抽运重复频率为2Hz和抽运脉冲能量为3.2×104J、重复频率为10Hz两种情况下两种下N-31型钕玻璃板条的瞬态温度分布分别进行了数值计算,分别给出两种情况下10s内和60s时钕玻璃板条的温度分布图并对结果进行了分析和对比,表明采用这种抽运结构的增益介质板条激光器可以以类似热容激光器的方式在短时间内实现高平均功率、高光束质量运转。     

激光二极管端面泵浦多段复合板条激光器热效应

针对激光二极管端面泵浦的多段渐变浓度复合板条激光增益介质,提出了两种选取掺杂浓度的方法,并分别计算了多段渐变浓度复合板条增益介质的热量、温度及应力分布.结果表明,与单一掺杂浓度板条增益介质相比,采用多段渐变浓度复合增益介质可显著降低增益介质内部的温度梯度及最大热应力,从而提高了激光器整体的损伤极限泵浦功率,有利于激光器的功率升级.     

高能量光泵浦下板状复合介质的热特性

为降低高能量光泵浦下板状激光放大介质内的热效应,提出了复合介质的方案。利用有限元方法,计算并比较了侧面存在强迫对流换热条件下,单一介质与复合介质内的温度分布和热应力分布。分析了复合介质尺寸对介质内最高温度及最大热应力的影响,给出了复合介质的最佳尺寸。     

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.     

大口径LD泵浦的激光放大器热沉积特性

 通过分析LD阵列端面泵浦片状放大器的工作特点，建立了对增益介质Nd:YLF进行热特性研究的有限元模型。针对泵浦能量空间均匀分布、高斯分布、超高斯分布三种情况，计算出了LD泵浦功率56 kW，脉冲宽度520 μs，重复频率10 Hz状态下晶体瞬时3维温度和热应力分布。研究结果表明：由于脉冲工作方式，晶体各节点温度随时间呈锯齿形变化，经过一段时间后吸热和冷却效果达到平衡，介质温度呈周期性变化；在相同泵浦峰值功率条件下，超高斯泵浦能量分布引起的温升和热应力最小，其最大值分别为103.3 ℃和47.6 MPa；有效泵浦功率密度达到10 kW/cm²量级时，介质极可能发生热致断裂。     

二维板状激光介质热效应的理论分析

利用二维模型,对固体激光器中侧面双向泵浦板状激光介质的热效应进行了理论分析,重点研究了介质热物性的温度依存性对其最高温度和最大应力的影响,给出了一种计算介质内最高温度和最大应力的简便方法,并与数值模拟结果进行了对比。结果表明,不考虑介质热物性随温度的变化,将导致计算结果特别是热应力结果偏小。考虑介质热物性随温度的变化时,应用本文提出的简便方法计算得到的最高温度和最大应力与数值模拟结果基本吻合.     

千瓦级半导体抽运的固体热容板条激光器

报道了千瓦级激光二极管面阵抽运固体热容激光器的理论与实验研究,分别采用Nd∶YAG单板条和双板条串接的热容激光器,利用热容激光器的理论计算模型计算了在一定的工作时间内激光输出特性,并进行了实验验证。实验中采用的晶体尺寸均为59mm×40mm×4.5mm,对单板条进行抽运时平均功率大约为5.6kW,双板条串接时为11.2kW,重复频率为1kHz,占空比为20%。实验中观察了1s的工作时间内脉冲能量输出的波动情况,单板条时单脉冲能量输出最大为1.3J,在1 s后单脉冲能量输出下降到开始的70%左右,而双板条串接时单脉冲能量输出最大为2.06J,在1s后单脉冲能量输出下降到开始的50%左右,对单块晶体采用通水冷却的准热容热管理模式能有效地降低其热效应。     

Thermal and optical properties of diode side-pumped solid state laser rods

Thermal heating is a major limiting factor in scaling the average power of a solid-state laser. The relationship between the heat intensity in a laser slab and the heat transfer coefficient has been studied by considering the variations of thermal conductivity and expansion coefficient of the laser slab with temperature. In this paper, the laser rod has been studied by including its thermal, stress and optical aberration effects. It is pointed out that different heat transfer coefficients should be adopted according to different heat intensities inside the laser rod in order to obtain better pumping input as well as to optimize the cooling effects.     

锯齿形板条抽运结构的热效应数值比较

激光二极管抽运的全固态激光器中,除了激光介质的温度分布和热透镜效应以外,抽运、冷却结构对获得高光束质量、高功率激光输出至关重要。基于热传导方程,在相同的抽运功率和传导冷却边界条件下,对单侧面抽运锯齿形(zigzag)板条、单侧面键合锯齿形板条、部分抽运板条三种不同抽运结构的温度分布、热致应力、温度导致的折射率变化进行了详细的分析,并通过光线追迹方法,比较了光束在锯齿形面内和垂直于锯齿形面内的光程差,由光程差曲线分析了激光束的热透镜效应。对三种抽运结构的端面温度、端面变形和端面变形导致的光程差也进行了对比分析。结果表明,三种抽运结构在锯齿形面内的光束均表现为发散特性,在垂直于锯齿形面内的光束表现为热聚焦效应,温度导致的热聚焦特性相差不是很大。而在消除端面效应方面,键合激光板条具有明显优势。最后,提出了热透镜效应的补偿方法。     

激光二极管抽运氦气冷却钕玻璃叠片激光放大器热致波前畸变和应力双折射的数值模拟和实验研究

热效应仍是限制激光放大器向高功率、高光束质量进一步发展的瓶颈问题, 高效的热管理是抑制热效应的重要技术途径. 研究了基于激光二极管抽运氦气冷却的钕玻璃叠片激光放大器的热效应. 利用有限元数值模拟的方法, 分析了钕玻璃的温度、应力应变和应力双折射分布, 并计算了热致波前畸变和退偏损耗, 与实验结果符合得较好, 在热沉积为0.7 W/cm³的条件下, 6片钕玻璃总的热致波前畸变为6.77λ , 最大退偏量大于90%.     

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。     

激光二极管抽运Nd:YVO4晶体的三维热效应分析

针对激光二极管抽运的以Nd:YVO4板条晶体为增益介质的激光器件,基于有限容积法数值分析各向异性介质的热传导方程,给出了Nd:YVO4晶体板条结构的热分布数值模型,并分别模拟仿真了808nm半导体激光器双端端面抽运,大面均匀抽运,大面周期分布抽运三种抽运结构,得到了Nd:YVO4板条晶体在这三种抽运结构下的非稳态时不同时刻的温度曲线和稳态时的三维温度分布切面图.