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。     

高平均功率开关晶体热力学特性有限元分析

 基于有限元数值方法，就不同的光强分布模型以及电光晶体固定或自由的边界条件，模拟分析了KDP，DKDP，LiNbO₃，BBO开关晶体材料在高平均功率激光负载下的热力学特性。结果表明:激光作用数s后，温升分布基本与光强分布一致；晶体表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;晶体的力学边界约束对最大轴向位移及最大拉热应力的影响随着光斑填充因子的增大而增强;在相同的入射激光光源及相同的边界条件下,KDP上的温升最大，热畸变最严重，DKDP次之，而LiNbO₃和BBO具有较低的温升值或较低的热形变和热应力。     

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。     

固态热容激光器3维瞬态热畸变模拟分析

 根据固态热容激光器的动态工作特性,考虑热力学参数与温度的关系,采用3维有限差分方法模拟分析了薄片热容激光器的3维温度和热应力分布随时间的变化关系。计算了热容激光器的热畸变和退偏损耗随时间的动态变化规律,并与采用连续水冷却方式工作的圆棒激光器的热畸变特性做了比较。模拟结果显示,形变是引起波前相位畸变的主要因素,退偏损耗随泵浦时间增加和泵浦功率增大而非线性增大。     

高功率薄片激光介质温度与应力数值模拟

Nd：YAG薄片激光介质一个表面采用二极管阵列泵浦，另一个表面冷却的工作方式，可以使薄片径向温度分布近似均匀，从而降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。针对Nd：YAG薄片激光介质的热效应问题建立了理论计算模型。分别计算了在不同泵浦条件下薄片的温度分布和应力大小，薄片泵浦条件变化与应力的关系，以及在Nd：YAG薄片与Cu冷却器之间增加与Nd：YAG热膨胀系数相近的介质层材料（复合金刚石）对应力影响的关系。     

热容激光器激光介质的热力学数值模拟

为模拟激光介质的温度、热应力的分布和变化,建立了激光介质热力学计算模型.该模型从激光介质的瞬态导热微分方程出发,得到沿纵向的热沉积功率密度,并将其作为该微元段的热载荷,加载到该微元段的泵浦区.考虑热容值、热导率、热膨胀系数和弹性模量等与温度的关系,得到激光介质的温度分布和变化,以及热应力的分布和变化.为热容激光器的实验和设计提供参考依据.     

高平均功率电光开关晶体热畸变分析

 深入分析了方板构型的电光开关晶体在高功率载荷条件下的热畸变行为，讨论了光强分布对热效应的影响。以KDP晶体为例，分别计算了激光束光强为高斯分布和均匀分布时晶体的温升、相应的热应力分布、波前畸变以及热退偏。结果表明，光强的分布形式对波前畸变和热退偏的影响是不同的。相对于光强均匀分布的激光束，高斯光束减缓了光斑边沿处的温度梯度，产生的热应力较小，因此可以减弱热退偏效应；另一方面，在光束口径范围内，高斯光束产生了附加的温度分布非均匀性，因而波前畸变会大一些。     

1064 nm激光致熔石英损伤的数值模拟研究

为了研究1064 nm激光对增透熔石英的热应力损伤机理以及等离子体分布等效应。基于热传导和气体动力学理论,探究了毫秒激光对增透熔石英的热应力损伤和致燃损伤的理论模型,利用comsol软件模拟了1064 nm激光作用增透熔石英时材料内部的热损伤、应力损伤以及激光支持燃烧波,模拟结果表明在激光光斑半径区域内,温升较为明显,形成较大的温度梯度,激光作用区域受热膨胀,其余区域会对膨胀发生抵制,因此材料内部产生应力,其中上表面的径向应力、环向应力在激光光斑边缘附近达到最大值,应力损伤应该先从辐照中心点或激光光斑边缘附近产生,同时发现等离子体的传播是稳态的,燃烧波的最大速度发生在最初时刻,并随着扩散时间逐渐变低。     

热容模式下激光介质的动态光学畸变

 开展了热容模式下激光介质动态光学畸变研究，初步分析了温度梯度、光弹效应及介质端面变形对整个波前畸变带来的影响，并将光学畸变转化为谐振腔损耗，数值模拟了热容激光器输出功率随时间的变化规律，模拟结果表明：当激光器工作温度低于400 K时，由粒子数玻耳兹曼分布引起的功率下降可以忽略，动态热效应是实验中热容激光器输出功率随时间快速下降的原因。     

Thermal effects in high-power Nd:YAG disk-type solid state laser

An investigation of thermal effects in a high-power Nd:YAG disk-type solid state laser pumped with different pump beam transverse profiles is carried out by numerical simulation based on the finite element method (FEM). Impact of the heat sink on the thermal effects is included in the simulation. The distribution of first principle stress, thermally induced birefringence, including the distribution and variation of the birefringence loss, are studied. The characteristics of the phase variation are analyzed with consideration of the temperature gradient, deformation, strain and thermal stress. Thermal lensing is explored as a function of pump power and of the radius pumped with different pump beam transverse profiles. The non-parabolic part of optical phase distortion is simulated. Furthermore, the characteristics of the bi-focus of the disk laser are also studied. Experiments on the maximum tensile stress distribution and depolarization loss are carried out. The presented calculations are in qualitative agreement with the experimental observations.     

高功率光纤激光器二级抽运技术的理论分析

从理论上分析了高功率光纤激光器直接抽运和二级抽运的斜率效率和热管理问题. 计算结果表明:波长为975 nm的激光直接抽运产生波长为1070 nm的激光时,理论斜率效率为80%,但当抽运光功率为10 kW时,在强制水冷条件下纤芯极值温度也难以降到150 ℃以下;在二级抽运技术中,波长为1018 nm的激光抽运产生波长为1070 nm的激光时,若采用传统的包层抽运技术,其斜率效率不足20%,如果抽运功率填充因子由0.0025提高到0.1,则理论上斜率效率可由18.5%提高到80.9%,从而总斜率效率由15.5 关键词： 二级抽运 功率填充因子 斜率效率 热管理     

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.     

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。     

Approximate formulas of temperature and stress distributions and thermal induced effects in a heat capacity slab laser

Approximate formulas of transient temperature and stress distributions in the slab of a two-side pumped heat capacity laser are attained by solving the heat diffusion equation. Based on the formulas, the distributions of temperature and stress during the pump period of a two-sided symmetrically laser diode array (LDA) pumped Nd:GGG slab laser with 5-kW average output power are numerically simulated. The results show that the temperature in the slab will averagely increase by more than 70 ℃ after operating for 10 seconds; the stress and maximum of the temperature difference in the slab are about 30 MPa and 24 ℃, respectively. The thermal induced effects are discussed also.     

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.     

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。     

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。