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。     

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。     

LD端面泵浦变热导率方形Yb∶YAG微片晶体热效应

针对激光二极管端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体产生的热效应问题,运用半解析方法计算该晶体的温场分布。根据连续LD端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体的工作特性,建立符合实际工作情况的热模型,构造初始条件和边界条件。同时考虑到晶体的热导率是温度的函数,并结合牛顿法求解热传导方程,得到晶体温度场的一般解析表达式。定量分析了不同的泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体厚度因素对变热导率方形Yb∶YAG微片晶体温度场的影响。结果表明:使用泵浦功率为80 W、超高斯阶次为1、光斑半径为400 m的泵浦光对含方形Yb∶YAG微片晶体质量分数为8.0%、晶体的尺寸为431 mm3进行泵浦,将晶体的热导率视为常量和变量时,泵浦端面获得的最大温升分别为41.25 ℃和52.14 ℃。研究结果对减小全固态Yb∶YAG晶体的热效应问题具有指导意义。     

LD端面泵浦矩形Yb:YAG晶体热效应研究

建立了激光晶体热传导模型。通过求解泊松方程,得到了不同Yb3+离子掺杂浓度的Yb:YAG晶体内温度场分布及由此引起的光程差和热焦距,求出了在不同泵浦半径下的端面温度分布。研究结果表明:随着Yb3+离子掺杂浓度的增加,Yb:YAG晶体端面中心温度升高,晶体中心轴温度衰减加快,热焦距变小;随着泵浦光斑半径的增大,晶体端面中心温度降低。这一结论对改善Yb:YAG晶体热效应提供了理论依据。     

直接水冷的Yb∶YAG薄片激光器系统设计与实验研究

设计了一台二极管泵浦的具有新型四通泵浦结构及接触式水冷装置的Yb∶YAG薄片激光器.激光泵浦源采用中心波长为940nm的二极管激光器,利用多模光纤进行耦合输出.YAG晶体Yb3+离子掺杂浓度为10%,几何尺寸为直径10mm,厚度500μm.激光晶体的散热装置采用自来水直接冷却,自来水通过铜热沉中打通的V型槽与薄片晶体直接接触.泵浦耦合系统采用聚焦透镜和一对直角棱镜的组合实现四通泵浦,聚焦透镜规格为直径50mm,焦距50mm.模拟了谐振腔的稳定性及不同腔长条件下所对应的激光光斑半径,设计了不同腔型的Yb∶YAG薄片激光器.在F-P腔中采用透过率为5%的输出耦合镜,获得了最高功率为3.28W的1 031nm连续激光输出,光束质量因子M2x=1.79,M2y=1.86,斜效率为20.5%.     

空气导热作用下Nd:YAG晶体温场特性

为了实现激光二极管端面泵浦Nd:YAG晶体温度场的精确计算,在晶体端面导热边界条件下建立热模型。首先根据热传导方程,以解析分析理论为基础,应用常数变易法和特征函数法,在考虑晶体端面存在热交换情况下,计算得到808 nm激光泵浦Nd:YAG圆棒晶体的温度场分布,分析了泵浦激光功率、光束半径及超高阶次等因素对晶体温度场分布的影响。分析结果表明:当功率为60 W、光斑半径为0. 4 mm的泵浦光作用于半径为1. 5 mm,长度为5 mm的Nd:YAG圆棒晶体时,该晶体内部最高温升出现在泵浦端面中心处,最高温升为426. 3 K,得到晶体的热透镜焦距为272. 98 mm。由于在计算中考虑了空气的导热作用对晶体温度场分布的影响,更符合实际情况,因此结果能更真实反映晶体内部温度场的分布情况。本文研究为精确分析相关激光晶体的温度场分布提供了指导,并为激光器性能的优化提供了理论依据。     

基于侧面热对流的LD泵浦Yb:KGd(WO4)2热透镜效应研究

基于对LD端面泵浦Yb∶KGW激光晶体工作特点的分析,建立了符合条件的激光晶体热模型.考虑晶体侧面的热对流,运用MATLAB和FORTRAN软件,通过有限差分法求解各向异性介质热传导方程,得到了该晶体的温度场分布、端面热形变分布和不同泵浦功率下的热焦距.结果表明:在泵浦功率为14 W时,泵浦面最高温度达272.8℃、最...     

LD单端泵浦变热导率Nd∶YAG方形热容激光器温度场

对方形激光晶体的实际工作特点进行分析,根据热容激光器的管理模式,建立泵浦阶段和冷却阶段的晶体热模型,引入变热传导系数对方程进行求解,分别得到LD单端泵浦和冷却时热容激光器温度场的表达式。分析了不同的光斑半径、泵浦时间对晶体温度场的影响。计算结果表明:当泵浦功率为60W、光斑半径为800μm、超高斯阶次为3的脉冲激光二极管对晶体进行泵浦时,在将Nd∶YAG晶体的热导率视为常量和变量的情况下,晶体在泵浦端面获得的最大温升分别为149.93℃、180.18℃。激光晶体的尺寸为(20×20×10)mm3,掺钕离子为1.0%。     

4.81 WYb:YAG/1030nm薄片激光器优化设计

设计了四程泵浦的Yb:YAG薄片激光器。晶体掺杂原子数分数为10%,几何尺寸为直径10mm、厚340μm,提出了Cr/Au金属化方案,采用铟焊工艺将其焊接到微通道水冷热沉上。耦合系统为四程泵浦结构,球面镜规格为直径30 mm、曲率半径50 mm。利用LightTools软件模拟计算了泵浦光斑半径,选用曲率半径200 mm输出镜以使泵浦光斑半径与基模光斑半径比符合模式匹配原则。在激光二极管阵列泵浦功率为18.73 W时,获得了最高功率为4.81 W的1030nm连续激光输出,光-光转换效率为25.7%。     

Yb:YAG薄片激光器多通泵浦耦合系统设计与实验

 介绍了基于Yb:YAG薄片的16通泵浦耦合系统的设计方法,建立了泵浦系统的模型,对模型进行了模拟。以16通泵浦耦合系统为基础,通过微通道冷却,利用国产单片直径10 mm、厚度为250 μm、掺杂原子分数为10% 的Yb:YAG薄片进行了实验研究。在泵浦功率为69.5 W时,采用曲率半径为－800 mm的输出镜,获得了27 W的1 030 nm连续激光输出,光光转换效率为38.8%;采用曲率半径为－2 000 mm的输出镜,获得了18.65 W的1 030 nm连续激光输出,光束质量平分因子小于等于1.1,光光转换效率为26.8%。     

激光二极管端面抽运的棒状Yb：YAG激光器

分析了影响激光二极管抽运Yb：YAG激光器调Q效率的参量，推导了激光二极管端面脉冲抽运Yb：YAG晶体的速率方程，解出了双程抽运情况下的净抽运量子产率。利用数值计算方法，模拟了净抽运量子产率与晶体长度，抽运光脉冲宽度等关系，得出晶体长度的优化可以提高Yb：YAG激光器输出效率。计算了词Q Yb：YAG激光器的最大增益、最大储能，分析了放大自发辐射对于Yb：YAG能量存储的影响。同时给出了激光二极管端面抽运调Q Yb：YAG优化设计方法。这些分析和计算为实际器件的研制提供参考。     

Theoretical and experimental investigations of quasi-continuous wave diode array side-pumped Yb＇YAG slab laser

An analytical model of quasi-continuous wave (quasi-CW) diode array side-pumped slab laser for Yb:YAG oscillator in long-pulse free-running has been developed based on the CW model. In this model we first introduce a new parameter, pump pulse width, and make the model available for use in the quasi-CW model. We also give an analytical equation of laser delay time to calculate the laser pulse width. A detailed model is also presented for a new structure laser design, taking account of the geometry of Yb:YAG slab. A quasi-CW diode array side-pumped Yb:YAG slab laser is investigated theoretically and experimentally. Experiments yield a quasi-CW output energy up to 20.36 mJ with the laser pulse width of 654.55 μs at 1049 nm when the diode arrays operate at 25 Hz and 1 ms pulse width. The crystal dimensions are 3 mm×8 mm×1 mm and the doping density is 10 at.%. The experimental results are in good agreement with the predictions of the theoretical model.     

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.     

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。     

光纤耦合二极管端泵2 μm CW双掺)Tm,Ho∶GdVO4激光器

同YLF和YAG 基质相比,在Tm-Ho∶GdVO₄晶体中Tm³⁺离子在800 nm附近有非常强的和宽的吸收带,所以该晶体非常适合商品化的GaAlAs激光二极管泵浦.在液氮制冷晶体条件下,利用光纤耦合激光二极管及消色差光学耦合系统端面泵浦双掺5％Tm,0.5％Ho∶GdVO₄晶体,在泵浦功率14 W、泵浦波长794 nm时,实现了2.048 μm激光输出,连续运转输出功率3.6 W,相应的光光转换效率为25.7％,斜率效率26.6%.相对于吸收的泵浦功率,光光转换效率为35%.由于Tm³⁺离子间的交叉弛豫效应,泵浦量子效率达到1.3.