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。     

双端抽运热容激光器温度特性分析

通过对激光二级管阵列双端抽运热容激光器晶体的分析,建立了热传导模型及边界条件.利用有限元方法模拟了晶体的温度场分布,并分别对抽运光斑直径、抽运持续时间、抽运光强和晶体端面尺寸等因素对温度场分布的影响进行了分析,得到了热容工作模式下的激光器温度特性.结果表明,晶体端面温差随抽运光斑直径的增大先增后减,存在一个极大值,并且在不同抽运光强下,出现端面温差极大点时的抽运光斑直径不变.     

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。     

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。     

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。     

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。     

LD端面泵浦Cr~4∶YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr4+∶YAG被动调Q Nd∶YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr4+∶YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr4+∶YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr4+∶YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

固体热容激光器与热稳态固体激光器温度场和应力场的比较研究

 建立了3维温度场及应力场模型,并采用有限元分析方法对Nd:YAG作为激活介质的固体热容激光器与热稳态固体激光器进行了对比研究。激光二极管阵列距离晶体3.5 mm,阵列功率2×4.2 kW,bar间隔0.4 mm,每bar发光面积为1 μm×5 mm,频率100 Hz,脉宽100 μs,Nd:YAG晶体初始温度20 ℃,冷却水温20 ℃。计算结果表明：热容模式激光介质的表面温度高于中心温度,稳态模式刚好相反, 稳态模式温差极值（19.8 ℃）是热容模式(6.4 ℃)的3.1倍,温度梯度极值(11.9 ℃/mm)是热容模式(2.46 ℃/mm)的4.8倍,热流密度极值(0.136 W/mm²)是热容模式(0.021 W/mm²))的6.4倍;稳态模式激光介质的表面出现张应力,中心出现压应力,热容模式则刚好相反,稳态模式压应力极值(18.27 MPa)是热容模式(12.1 MPa)的1.5倍,张应力极值(38.39 MPa)是热容模式(10.3 MPa)的3.9倍。由于晶体可以承受的压应力的破坏阈值远高于张应力,所以热容模式的固体激光器比稳态模式的固体激光器可以工作在更高的泵浦功率水平上。     

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%.     

采用解析法对Nd:YAG单晶光纤的温度场研究

采用解析法对Nd:YAG单晶光纤激光器热效应相关的光纤温度场分布进行研究。建立了Nd:YAG单晶光纤热模型,在单晶光纤所满足的边界条件下通过解析求解热传导方程,得到在高功率808 nm泵浦光抽运下产生946 nm激光的单晶光纤温度场分布,并与传统Nd∶YAG激光晶体的温度场进行比较,然后分别与同泵浦条件下的有限元数值方法的分析结果进行研究对比,最后分析泵浦光参数、单晶光纤参数等对温度场的影响。结果表明,功率为86 W的泵浦光入射至单晶光纤端面的最高温升仅为30.98℃,明显优于同泵浦条件下传统Nd∶YAG晶体的端面温升结果94.37℃,与有限元数值法得到的Nd:YAG单晶光纤19℃温升结果相比,该解析法结果更接近于实验的测量值31℃,能够更精确描述晶体光纤温度场。本文可对单晶光纤激光器热效应的精确研究提供一定参考,进而有利于提高单晶光纤激光器的性能。     

LD端面泵浦Cr4:YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr⁴⁺:YAG被动调QNd:YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr⁴⁺:YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr⁴⁺:YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr⁴⁺:YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

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。     

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%。     

基于光纤激光器泵浦的高功率准连续Ho∶YLF激光器

2μm激光器作为中波红外固体激光器的泵浦源方案之一,由于可以获得较高的中波红外激光输出,因此逐渐得到重视。设计了一种基于1 940nm光纤激光器泵浦的高平均功率准连续Ho∶YLF激光器,并对其进行了实验研究,表明在Ho离子掺杂浓度0.5%、晶体长度35mm、晶体控温20℃时,采用双棒串接、平凹腔L型结构获得了36 W的准连续2.067μm激光输出,其最高光光转换效率为51.4%,重复频率20kHz,脉冲宽度121ns,谱线宽度小于3nm。实验结果验证了采用1 940nm光纤激光器泵浦作为泵浦Ho∶YLF获得高功率准连续2μm激光的可行性。     

高温LDAs泵浦紧凑型Nd:YAG激光器

设计了一套紧凑型高温激光二极管阵列端面泵浦电光调Q Nd∶YAG激光器。为使激光器整体结构紧凑,以高温激光二极管阵列作为泵源以有效地降低Nd∶YAG激光器散热压力。利用Ansys软件对高温激光二极管阵列工作时的温度场进行模拟。使用基于K9玻璃材质的导光锥将泵浦光耦合进Nd∶YAG晶体内。利用Traceproc软件模拟了导光锥前后端面的光场分布。采用5mm×5mm×40mm、掺杂浓度为1.0at。%的Nd∶YAG晶体作为增益介质,利用Ansys软件对200μs,250μs泵浦脉宽条件下的晶体内部温度场分布进行模拟并计算了激光器工作时的热透镜焦距。结果表明,本文设计的紧凑型激光器可以实现稳定的脉冲激光输出。在重复频率20Hz,泵浦源电压脉冲宽度250μs、300μs条件下,获得了单脉冲能量44.1mJ和50.2mJ的单脉冲输出,对应脉冲宽度分别为18.3ns和21.3ns,斜效率为12.35%和12.24%.     

热效应不敏感的Z型全固态绿光激光器设计

为构建LD泵浦Nd∶GdVO4/KTP腔内倍频热效应不敏感的激光器系统,提高绿光激光的热稳定性,利用基于传播圆变换理论的Z型腔图解分析方法,得到光斑半径w2、w3随热动力参数1/ft的变换关系,利用Mathematics编程软件计算得到了具有激光晶体热透镜不敏性的Z型折叠腔参数。当激光器腔长参数为170mm, 523mm和152mm时,在20.3W的注入泵浦功率下获得了2.72W的531.5nm连续绿光激光输出,实现光 光转换率13%。通过传播圆变换理论图解分析方法的理论计算和实验研究,发现在1/ft小于0.25cm-1的情况下,该腔在激光晶体和倍频晶体处的光斑大小稳定,热效应不敏感,像散不明显。     

基于半导体泵浦倍频绿光激光器的探究性实验设计

为探究在谐振腔中倍频晶体位置对绿光激光器输出功率的影响，利用半导体泵浦固体激光实验仪设计了腔内和腔外倍频绿光的探究性实验。分析了绿光倍频效率与基频光束的功率密度及光斑半径之间的关系，分别测量了磷酸钛氧钾(KTP)倍频晶体位于谐振腔內部和外部不同位置时，532 nm倍频绿光的输出功率。其中在腔外倍频实验中，分别设计了腔外不加透镜时KTP晶体位于腔外不同位置，以及加上透镜时KTP晶体位于聚焦位置两种实验方案。同时，在实验中引导学生利用谐振腔理论和高斯光束传输理论等激光原理计算1 064 nm基频光在腔内外不同位置的光斑半径，分析了KTP晶体在不同位置时532 nm倍频光输出功率出现差别的原因，以及利用透镜聚焦提高激光功率密度以达到提高倍频效率的方法。     

LDA侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应分析

 在高斯光强近似下对泵浦LD光强分布模型进行修正，建立了LDA侧面泵浦固体激光介质内热源分布的数值模型。用有限元法计算模拟了三角均匀分布侧面泵浦结构激光棒瞬态温升过程及稳态温度分布情况。讨论比较了泵浦源的高斯强度近似和均匀强度近似下激光棒内温度分布情况，并对激光棒的类热透镜的焦距进行实验测量。实验和数值计算说明了LDA泵浦结构和冷却场的非均匀分布使实际温度场偏离均匀泵浦时的二次曲线分布模型，激光晶体热效应产生的类透镜会聚作用的不对称导致了激光器输出光束质量在x，y方向上的不同。     

二极管泵浦300 W热容固体激光器

开展了热容二极管泵浦固体激光器理论和实验研究,针对热容工作模式下工作物质的激光特性进行了初步分析,数值模拟了激光介质增益分布及温度场、应力场分布,初步完成了热容激光器实验平台的建立,在平均泵浦功率1.25 kW的激励条件下获得了大于300 W的激光输出,连续出光时间为5 s,占空比为15%,光-光转换效率约为25%.     

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...