连续波抽运气体波导产生太赫兹激光的理论研究

基于速率方程理论,建立了光抽运气体波导产生太赫兹(THz)激光的能量转化模型,理论分析并求解得到抽运光吸收系数、THz小信号增益系数以及THz输出功率表达式.计算结果表明,THz输出功率随工作物质气压的升高先增加后逐渐减少,随抽运功率的增加、输出镜反射率的减小而增加;最佳工作气压随抽运功率的增大而增大;激发态粒子数以及THz光子通量随波导截面径向逐渐减小,而THz小信号增益系数逐渐增加;抽运饱和、弱抽运吸收与激发态工作物质对THz激光的吸收是限制激光转化效率提高的根源;基于该模型的计算结果与相关文献中的实验数据符合较好.     

热透镜控制激光光束质量技术研究

在端面抽运固体激光器中,就如何改善在高抽运功率时输出激光的光束质量,提出一种激光器的设计方法。在激光器谐振腔中放入多根掺杂浓度不同的激光介质,利用激光介质内部产生的热透镜控制抽运光和基模振荡光的空间分布,并且最大限度地使抽运光的分布区和基模振荡光分布区重叠,实现抽运光与基模振荡光在空间上高度匹配,进而提高抽运光能量的利用效率和振荡光的光束质量。实验表明,在不同抽运功率下,抽运光和基模振荡光在晶体内部的光斑的空间分布可通过热透镜加以控制。在端面抽运功率200 W附近时,实现了抽运光与基模振荡光较高程度匹配,光束质量因子M2由14.7改善为4.1。     

不同激光分布下Nd:GdVO4晶体热焦距分析

为了研究方形激光晶体Nd:GdVO4在超高斯泵浦光分布下的热效应,采用半解析的分析方法,进行了理论分析和实验验证.结果表明:当使用输出功率为15 W的半导体激光器端面中心入射时,在抽运端面中心获得1.38 μm最大热形变量(超高斯阶次为2时)和220 mm的热焦距(超高斯阶次为5时).     

端侧面组合抽运DPL热透镜效应研究

通过数值计算发现：在端侧面组合抽运DPL中,晶体横截面上的温度分布接近于轴对称分布,并且端面抽运功率占有率越大,温度分布越接近于轴对称分布。将端侧面组合抽运DPL中的热效用等效薄透镜近似,给出了等效热透镜焦距的计算方法,分析了组合抽运引起的热透镜效应对基横模振荡光的光斑尺寸和衍射损耗的影响。在总抽运功率一定的情况下,端面抽运功率占有率的变化对热透镜焦距有一定的影响,占有率越大,热透镜焦距越长。提高端面抽运功率占有率,可在一定程度上减小热透镜效应对振荡光束尺寸和衍射损耗的影响。     

不同激光分布下Nd∶GdVO4晶体热焦距分析

为了研究方形激光晶体Nd∶GdVO4在超高斯泵浦光分布下的热效应,采用半解析的分析方法,进行了理论分析和实验验证.结果表明：当使用输出功率为15 W的半导体激光器端面中心入射时,在抽运端面中心获得1.38 μm最大热形变量（超高斯阶次为2时）和220 mm的热焦距（超高斯阶次为5时）.     

不同抽运光分布下端面抽运固体激光器中晶体的端面温度分布研究

为了研究不同的抽运光分布对晶体端面温度场的影响,提出一种平顶光的归类方法,并依据所提出的平顶光的归类方法划分出圆柱光、高斯光和平顶光.重点研究了圆柱光、高斯光和平顶光在不同的功率和不同的焦斑半径下端面温度分布.发现在相同的抽运功率和相同的光斑半径下圆柱光抽运时晶体的端面温度最高,平顶光次之,高斯光最小的重要结论, 说明抽运光的分布严重影响晶体端面的温度场.最后讨论了端面温度场引起的热效应对DPL光束质量的影响,发现端面热效应引起端面热透镜等效曲率半径减小,从而引起束腰半径的减小. 热效应引起热透镜等效曲率 关键词： 圆柱光 平顶光 端面抽运 温度场     

不同抽运光分布下端面抽运固体激光器中晶体的端面温度分布研究

为了研究不同的抽运光分布对晶体端面温度场的影响，提出一种平顶光的归类方法，并依据所提出的平顶光的归类方法划分出圆柱光、高斯光和平顶光.重点研究了圆柱光、高斯光和平顶光在不同的功率和不同的焦斑半径下端面温度分布.发现在相同的抽运功率和相同的光斑半径下圆柱光抽运时晶体的端面温度最高，平顶光次之，高斯光最小的重要结论， 说明抽运光的分布严重影响晶体端面的温度场.最后讨论了端面温度场引起的热效应对DPL光束质量的影响，发现端面热效应引起端面热透镜等效曲率半径减小,从而引起束腰半径的减小. 热效应引起热透镜等效曲率     

利用输出功率测量激光二极管端面抽运的固体激光器热透镜焦距

运用谐振腔变换圆理论,详细分析了激光二极管抽运的Nd:YVO4平行平面腔固体激光器振荡光在晶体内的基模光斑半径随抽运功率变化的U形曲线.提出在适当腔长情况下激光器的输出功率随抽运功率变化曲线上将出现凹陷或尖峰现象,利用曲线上的凹陷和尖峰可以测量激光晶体的热透镜焦距.同时在理论分析的基础上进行了实验,实验结果与理论分析相符合 关键词： Nd:YVO4 热透镜焦距 固体激光器 谐振腔变换圆     

热透镜的球差效应对大基模体积激光谐振腔模式的影响

固体激光器在强抽运的条件下,激光晶体热透镜的球差效应是不容忽视的,尤其是在大基模体积的动态稳定腔中,会影响谐振腔的振荡模式,进而影响腔内损耗和输出功率.通过Fox-Li的衍射迭代算法,分析了谐振腔的自再现模,表明在热透镜球差效应作用下,基模的光强分布出现了旁瓣,并由此带来了光束质量的下降,最后通过实验结果验证了理论分析,指出光束填充因子是激光器设计的一个重要因素,其最佳值需要根据球差效应的强弱,通过实验的方法来确定. 关键词： 热透镜 球差效应 谐振腔模式     

高能量脉冲光纤激光器荧光特性

高能量脉冲激光器中,高强度的抽运光注入掺杂光纤后会部分转化为荧光,导致抽运效率的降低。基于铒掺杂光纤中铒离子的能级结构,分析了高能量脉冲光纤激光器中荧光的产生机理,采用非线性薛定谔(Nonlinear Schrdinger)方程和能级跃迁模型的速率方程,建立了高能量脉冲光纤激光器中荧光和抽运光的传输模型。通过此模型进行了数值仿真研究,首次深入分析了抽运光和荧光功率沿光纤轴向分布的变化规律,研究了荧光功率、抽运效率与光纤掺杂浓度的关系,并得出了抑制荧光产生、提高抽运效率的方法。数值结果表明:在铒掺杂光纤中,荧光和抽运光分别沿光纤的轴向近似呈指数规律衰减,且荧光的衰减速度比抽运光快;当抽运光功率一定时,铒掺杂光纤在980nm激光抽运下产生的荧光功率比1480nm激光抽运下的低,且980nm激光抽运下产生荧光的阈值比1480nm的高;抽运光功率一定时,铒掺杂光纤中产生的荧光功率随其掺杂浓度的增加而增加,而抽运效率随着掺杂浓度的增加而降低;衰减系数一定时,荧光沿掺铒光纤轴向的衰减速度随增益系数的增加而增加。理论分析的结论与参考文献中的实验结果吻合得很好。因此,为有效抑制荧光产生、提高抽运效率,应选择980nm的激光作为抽运光源,并在激光器的增益一定时尽量降低光纤的掺杂浓度,或者在一定的掺杂浓度下尽量提高增益系数。     

端面抽运方形复合YAG温度场及热透镜研究

采用数值方法研究了方形截面复合Nd∶YAG激光晶体棒在端面抽运情况下的温度分布及热透镜效应,得到复合激光晶体内温度场的数值解和径向温度梯度引起的轴向传播光相位延迟分布ΔΦT(r),并与同条件下普通晶体的结果进行了比较.结果表明,吸收系数越大,两种晶体中最高温度相差也越大.采用复合晶体可以大幅度降低激光晶体内的温升,同时减小端面形变造成的透镜效应.复合晶体的ΔΦT(r)与普通晶体相似,且不满足对半径r的二次方关系.在rwp时,ΔΦT(r)相对于参考球面透镜的相位畸变Δφ随r的增大而急剧增大.     

Influences of pump beam distribution on thermal lensing spherical aberration in an LD end-pumped Nd:YAG laser

A numerical investigation is made on the thermal lensing and spherical aberration effect in an LD end-pumped Nd:YAG laser. Based on the finite element method (FEM), the laser rod temperature distribution is calculated and the focal length of the thermal lens is deduced, the influences of pump beam on the thermal lensing spherical aberration are mainly studied. The results show the thermal lens which focal length varied with the radial coordinate r is not an ideal lens. Given the heat dissipation boundary conditions, the radial dependent focal length will be shortened when the pump power raised or the waist radius of the pump beam reduced, meanwhile the radial differences of the focal length will decrease when the pump power increased. For a Super-Gaussian profile pump beam, the higher the exponent number, the more similar to flat top the pump beam is, and the less the radial differences of the focal length are.     

Thermo-optic effects affecting the high pump power end pumped solid state lasers: Modeling and analysis

A complete solution of the thermal effect for continuous wave laser diode array fiber coupled high pump power end pumped actively solid state laser is presented. In this paper, the thermal loading resulted from energy transfer up-conversion effect for laser operated under different pulse repetition frequency has been taken into account in the overall thermal effects. The thermal loading transfer the absorbed pump power into non-uniform temperature distribution in the laser rod, and thus results in thermal strain, thermal stress, thermal dispersion of index, and thermally induced diffraction losses. For a practical laser cavity configuration containing the internal optical elements, we use spherical aberration theory to give a better explanation of experimental results via calculating diffraction losses quantitatively. According to analysis of thermal focal length experimental data, the results show that our calculated value of thermal loading under fixed Nd³⁺ doped concentration laser crystal is not a constant but a function of pump power instead. The theoretical predicted curve of thermal focal length based on our model is in good agreement with experimental measurements. At low pump power, the thermal loading is a linear function varying with pump power, but it begins to saturate at pump powers exceeding 6 W. This phenomenon is consistent with our physical intuitions.     

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.     

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。     

光束自聚焦的矢量理论研究

基于矢量非傍轴非线性Schr-dinger方程,利用调制理论研究了光束的自聚焦特性,比较了非零电场散度项和非傍轴项在消除自聚焦崩塌方面的贡献。结果表明,引入两项之一都可使光束聚焦到一有限宽度后开始散焦,然后又自聚焦,如此作聚焦-散焦的周期性循环。但是,在光束自聚焦点附近,非零电场散度项的作用要强于非傍轴项。     

LD端面泵浦变热导率圆片Yb∶YAG激光器的热效应

针对激光二极管端面泵浦圆片Yb∶YAG晶体产生的热效应问题,以实际工作特点为基础,通过热传导理论分析了热效应。分析了不同泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体尺寸因素对变热导率圆片Yb∶YAG晶体温度场的影响。研究结果表明,使用泵浦功率为60W、超高斯阶次为5、光斑半径为400μm的泵浦光对含质量分数为8%、晶体半径为4mm、厚度为0.5mm的圆片Yb∶YAG晶体进行泵浦,在将晶体的热导率分别视为常量和变量时,泵浦端面获得的最大温升分别为52.15℃和59.51℃。根据计算结果,设计了适合的激光器热稳腔,能充分抑制激光器产生的热效应问题。     

激光二极管端面泵浦Yb:YAG圆棒热效应研究

基于激光二极管端面泵浦Yb∶YAG棒工作特点的分析,提出了端面绝热、周边恒温的激光晶体热分析模型,采用了一种新的热传导方程求解方法,得到了超高斯光束端面泵浦Yb∶YAG棒温度场的一般解析表达式。同时分析了不同阶次、不同光斑半径、不同功率超高斯光束以及晶体参数改变时对于Yb∶YAG棒温度场分布的影响。研究结果表明,若准直聚焦到Yb∶YAG棒泵浦面42.5W的光束具有4阶超高斯强度分布时,掺Yb3+质量分数为10.0at.%、长度为2.5mm、半径为2mm的Yb∶YAG棒的泵浦面获得74.20℃的最高温升。新的热传导方程求解方法在研究激光棒温度场分布方面具有计算量小、精度高等特点。研究结果对减小激光晶体的热效应,提高全固态Yb∶YAG激光器性能提供了理论依据。     

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。