喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性仿真分析及实验研究（英文）

为分析喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性,设计用于冷却复合陶瓷薄片的喷流冷却系统.利用湍流换热理论和计算流体动力学仿真方法建立喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的流固耦合热仿真模型,定义评价其冷却能力和冷却均匀性的定量参数.根据该仿真模型得到喷流冷却系统的最优设计参数,并进行实验验证.使用163孔喷板,流量为0.2kg/s,入口温度为20℃,在1 200 W泵浦时获得359 W激光输出功率,并测得复合陶瓷薄片上表面的最高温度为92℃.激光输出功率与复合陶瓷薄片上表面温度均与泵浦功率呈近似正线性关系,且温度的实验值与仿真值相符度较高.     

国产掺Nd3+透明薄片陶瓷的光学性能研究

研究了国产透明陶瓷Nd∶YAG和Nd∶YSAG的光学和激光性能.介绍了透明陶瓷Nd∶YAG和Nd∶YSAG的制作方法及其光谱性能,报道了相应的激光实验结果.对于Nd∶YAG薄片激光器,得到了中心波长1 064.2 nm,半高全宽为0.89 nm的激光输出,泵浦阈值功率0.267 W,最大激光输出功率0.319 W.对于Nd∶YSAG薄片激光器,由于荧光寿命比较长,可实现高掺杂,输出激光的中心波长为1 063.8 nm,半高全宽为1.6 nm,最大激光输出功率为0.356 W,斜率效率达23.2％,结果证明国产Nd∶YSAG陶瓷适用于短脉冲薄片激光器.     

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.     

铜蒸气激光泵浦的高效脉冲若丹明6G染料激光器(英文)

本文给出了铜蒸气激光泵浦的脉冲染料激光器性能的理论预测.根据这个理论,设计了一台用铜蒸气激光泵浦的、具有纵向泵浦结构和喷流的高功率高效率若丹明6G染料激光器.对若丹明6G染料,得到了0.86W的平均输出功率,效率为31%.     

钛宝石激光器端面抽运Nd:YAG陶瓷激光器热沉积理论和实验研究

通过热沉积系数研究在激光提取条件下掺杂原子分数为1.0%的Nd:YAG陶瓷激光器中热沉积问题.热沉积系数定义为热沉积功率与激光器输出功率之比.在理论分析基础上，通过测量激光器斜率效率来间接测定热沉积系数，实验测定的热沉积系数值为0.63.建立激光提取条件下Nd:YAG陶瓷发热模型，讨论了影响热沉积系数的主要因素.结果表明：热沉积系数对Nd:YAG陶瓷的辐射量子效率、交叠效率以及激光提取效率的变化非常敏感.为有效减少介质内热沉积，在激光器优化设计中交叠效率和激光提取效率是需要着重考虑的参数.所得结果可为进一步研究陶瓷激光器中热效应提供参考. 关键词： 热沉积 Nd:YAG陶瓷 固体激光器     

基于水、风混合型冷却系统的LD端面泵浦全固态连续绿光激光器

为了简化激光器冷却系统,减小体积,降低成本,设计出一种基于水、风混合型的冷却系统,具有水冷和风冷的优点,可以实现稳定的绿光激光输出.采用结构简单、紧凑的平-凹腔设计,其端镜为平面镜,输出镜为凹面镜,曲率半径R=1 m,腔长L=165 mm,获得较稳定的单端泵浦Nd:YVO4腔内倍频KTP连续绿光激光输出.当晶体吸收的泵浦功率为24.3 W时,532 nm激光功率达到4.2 W,光-光转换效率达到17.2%.在绿光输出功率为3 W的情况下,观测到的变化范围在2.5%左右,温度变化范围在0.1°左右.实验结果表明,该冷却系统能够较好地转移晶体热效应产生的热量,实现转化效率较高的绿光输出,有利于实现高功率激光器的微型化.     

全固体小型Yb∶YAG激光器热效应及输出特性研究

利用中红外相机及干涉测量技术研究了二极管泵浦小型Yb∶YAG激光增益介质在激光及非激光条件下的温度分布、温度梯度、热透镜效应,同时根据对热效应的研究,对激光器的参量进行了优化.研究了在不同掺杂浓度下激光器的输出特性.对于2.3at.%掺杂浓度,得到激光输出功率为1.7 W,斜效率26.2%,光-光转换效率为13.5%的实验结果;对于5.0at.% 掺杂浓度,得到激光输出功率为2.5 W,斜效率51%,光-光转换效率为24%的实验结果.     

纵向泵浦的1.34μm Nd:YVO4平凹腔型DPSL器件

报道了激光二极管泵浦的Nd:YVO4激光器,分析了激光器的各项参数.在泵浦功率为7.06W时,获得1.34μm激光输出功率2.008W,光-光转换效率达28.4%.     

分区域主动冷却薄片激光介质的理论和实验研究

针对薄片激光介质抽运和温度分布不均匀的问题, 设计了分区域主动冷却控制薄片激光器. 根据热传导方程, 对端面抽运方形薄片激光介质在均匀冷却和分区域主动冷却两种冷却方式下的温度和应力分布进行了模拟计算. 结果显示: 分区域主动冷却能使薄片介质横向温度分布趋于均匀, 相对于均匀冷却时最大温差的改善率达到了约86%, 介质边缘的张应力转变为低值压应力,有效地抑制了热应力炸裂. 搭建了分区域主动冷却控制实验装置, 并进行了验证实验, 实验结果与模拟结果相符. 为薄片激光器的热管理方式提供了新的思路. 关键词： 薄片激光器 端面抽运 分区域主动冷却 数值模拟     

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.     

基于微蒸发腔制冷的大功率激光二极管制冷组件

利用节流的高压冷却介质在微蒸发腔内相变吸热,设计了一种用于大功率激光二极管制冷的封装组件。该组件采用高热导的无氧铜,用精密线切割、化学腐蚀等技术制作微蒸发腔,再通过自制的焊接设备完成制冷组件的封装。按照大功率激光二极管条的发热模型,理论上对微蒸发腔制冷组件的温度分布进行了数值模拟,结果与60 W激光二极管条的散热实验符合较好,得到制冷剂流量为23 m L/min时的热阻为0.289℃/W。     

915 nm宽条形半导体激光器输出特性

为了研究温升对915 nm宽条形应变量子阱半导体激光器输出特性的影响,搭建了基于半导体制冷片(TEC)的双向温控平台对其进行了测试。首先,改变激光器的外表面温度,测量其在不同注入电流时的光功率和波长,并利用CCD相机测量其慢轴发散角。然后,利用计算机仿真软件对激光器的工作状态进行稳态模拟,从而获得了其对应的热分布情况,通过将模拟得到的数据与实验测量的结果进行比较,获得了两者趋于一致的结论:当热功率从2.1 W升高至20.0 W时,慢轴发散角从2.6°增大至5.0°,同时波长发生红移,热透镜焦距减小;激光器波长随温度变化关系的系数约为0.4 nm/℃,器件热阻为1.5 K/W。因此,为了同时获得高的输出功率和稳定的输出波长,有必要将激光器外表面温度精确控制在某一数值,否则波长将会发生漂移;此外,在设计制作高功率半导体激光器时,通过适当增加条宽并采用散热良好的封装结构,可以减小对慢轴发散角的影响。     

高功率二极管激光器相变冷却技术

根据高功率二极管激光器的散热需求,设计了一种储能式相变冷却实验系统,并开展了喷雾相变冷却器和微通道相变冷却器的设计。采用多孔微结构的换热表面,用氨做制冷剂,实现了喷雾相变冷却器表面温度37 ℃时,散热功率密度达到了511 W/cm2。采用节流汽化原理,分别设计了背冷式相变微通道冷却器和薄片型的模块式相变微通道冷却器,背冷式相变微通道冷却器采用氨做制冷剂, 散热功率密度达到了550 W/cm2,采用R124做制冷剂,散热功率密度约270 W/cm2。采用R124做制冷剂,实现了脉冲激光功率3 kW和连续激光功率100 W的相变冷却二极管激光器模块封装。     

4.6-W compact and efficient NdAl_3 （BO_3）_4 thin-disk laser

The capabilities of a compact and highly efficient NdAl 3 (BO 3) 4 (NAB) thin-disk laser are demonstrated.Under a pump power of 8.2 W,the NAB disk laser delivers an average output power of 4.6 W at 1 063 nm,with a slope efficiency of 64%.The difficulty and complexity of the thin-disk laser design are minimized by the high absorbance of the NAB crystal.To reduce the thermal effect,low repetition frequency pulsed 885 nm direct pumping is considered an efficient way to realize a compact and highly efficient NAB thin-disk laser.     

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。     

High-power high-stability Q-switched green laser with intracavity frequency doubling of diode-pumped composite ceramic Nd:YAG laser

We successfully obtain high-average-power high-stability Q-switched green laser based on diode-side-pumped composite ceramic Nd:YAG in a straight plano-concave cavity. The temperature distribution in composite ceramic Nd:YAG crystal is numerically analyzed and compared with that of conventional Nd:YAG crystal. By use of a composite ceramic Nd:YAG rod and a type-II high gray track resistance KTP (HGTR-KTP) crystal, a green laser with an average output power of 165 W is obtained at a repetition rate of 25 kHz, with a diode-to-green optical conversion of 14.68%, and a pulse width of 162 ns. To the best of our knowledge, both the output power and optical-to-optical efficiency are the highest values for green laser systems with intracavity frequency doubling of this novel composite ceramic Nd:YAG laser to date. The power fluctuation at around 160 W is lower than 0.3% in 2.5 hours.     

High packing density laser diode stack arrays using Al-free active region laser bars with a broad waveguide and discrete copper microchannel-cooled heatsinks

A high packing density laser diode stack array is developed utilizing Al-free active region laser bars with a broad waveguide and discrete copper microchannel-cooled heatsinks. The microchannel cooling technology leads to a 10-bar laser diode stack array having the thermal resistance of 0.199 ℃/W, and enables the device to be operated under continuous-wave （CW） condition at an output power of 1200 W. The thickness of the discrete copper heatsink is only 1.5 mm, which results in a high packing density and a small bar pitch of 1.8 mm.     

A high-power high-stability Q-switched green laser with intracavity frequency doubling using a diode-pumped composite ceramic Nd：YAG laser

We successfully obtain a high-average-power high-stability Q-switched green laser based on diode-side-pumped composite ceramic Nd:YAG in a straight plano-concave cavity. The temperature distribution in composite ceramic Nd:YAG crystal is numerically analyzed and compared with that of conventional Nd:YAG crystal. By using a composite ceramic Nd:YAG rod and a type-II high gray track resistance KTP (HGTR-KTP) crystal, a green laser with an average output power of 165 W is obtained at a repetition rate of 25 kHz, with a diode-to-green optical conversion of 14.68%, and a pulse width of 162 ns. To the best of our knowledge, both the output power and optical-to-optical efficiency are the highest values for green laser systems with intracavity frequency doubling of this novel composite ceramic Nd:YAG laser to date. The power fluctuation at around 160 W is lower than 0.3% in 2.5 hours.     

薄片激光器喷流冷却技术

为了分析喷流冷却技术对薄片激光器的冷却效果,从湍流换热理论出发,定义了评定喷流冷却换热能力和冷却均匀性的两个参数:面均对流换热系数和平均最大温差。利用ANSYS CFX流体力学仿真软件,建立喷流冷却的物理模型,对多种喷板结构进行求解计算。设计加工了整套喷流冷却实验装置,并进行了模拟热源喷流冷却实验。分析结果表明,喷流冷却换热能力和冷却均匀性主要受喷板结构参数的影响,仿真计算结果可以定性地指导喷板结构参数的优化设计。