掠入射板条放大器链的热效应模拟分析

对LD泵浦的掠入射板条放大器链系统激光介质的热效应进行研究。针对掠入射放大器结构建立了相应的热力学模型,对激光介质的温度场分布、热致波前畸变和热透镜效应进行了详细的理论分析。利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应力及应变的分布情况,并进一步讨论了板条厚度、泵浦尺寸以及种子光入射角对光程差和热透镜造成的影响。结果表明,随着泵浦光斑尺寸和种子光入射角的增大,光程差变小,热透镜效应减弱;板条厚度对光程差和热透镜的影响较小。模拟计算结果对于预测板条热效应的强弱、热效应的补偿,以及放大器链结构参数的设计提供了依据。     

高重复频率水冷Nd:YAG激活镜放大器的温度特性

为解决高重复频率大能量激光放大器的热管理问题,采用数值模拟与实验分析的方法,对背面水冷Nd:YAG激活镜放大器的流体散热进行了研究.基于低雷诺数k-ε湍流模型,建立了流-固共轭传热多物理场藕合分析模型,对比分析了近壁面处理方法对流体流动、对流扩散和热传导过程及温度分布的影响,分析研究了不同冷却液流量和泵浦参数对流场特性、激光介质温度和波前分布的影响.数值模拟表明:激光介质的温度分布与固液边界层内的黏性作用密切相关,且冷却液的热扩散主要发生在100μm范围内;激光介质的热沉积分布中心对称,而温度分布沿水流方向不对称,最大温升位于出水口端且基本保持不变;增益介质前表面的温度分布与介质的波前分布随冷却液流量非线性变化,而随泵浦参数线性变化;实验结果与数值模拟符合较好.     

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。     

传导冷却端面泵浦板条放大器波前畸变数值研究

 利用数值模拟的方法分析了均匀冷却与非均匀冷却对传导冷却端面泵浦板条放大器波前畸变的影响,结果发现：信号光的波前畸变强烈依赖于zig-zag周期数,一定的光路可以将波前畸变减小到λ/10量级;板条长度方向散热不均匀及两块热沉之间散热能力的差异对波前畸变的影响很小,而宽度方向散热不均匀对波前畸变的影响较大;当宽度方向散热不均匀时,波前畸变主要为倾斜像差,输出光束的传输方向将发生偏折。因此,在非均匀冷却条件下,为了减小宽度方向散热不均匀性的影响,应选择反射次数较少的之字型光路。     

板条增益介质波前畸变诊断方法

对波前重构算法中的区域法进行了改进,使其能够应用于板条增益介质的波前畸变诊断。利用该方法对47块Nd: YAG板条增益介质沿厚度方向波前畸变进行测量,指出镀膜和加工等环节对增益介质的波前畸变可能造成的影响。按照波前畸变峰谷（PV）值对测量结果进行了统计,结果表明:增益介质造成的静态波前畸变参差不齐,测量样本中静态畸变PV值最多可达5 m以上,且仅有4.1%的增益介质静态畸变PV值小于1 m。通过选取某些增益介质使之级联,测量其组合波前畸变,发现在系统中使用两块波面互补的增益介质有助于减小系统的静态波前畸变。     

片状热容激光器热效应有限元分析

 基于激光介质的非均匀内热源模型，利用有限元数值方法，模拟计算了热容模式下高功率激光二极管阵列(LDA) 重复脉冲泵浦片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:热容模式下，当增益介质不能够被全口径泵浦时，也会出现严重的热效应，介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中，介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随泵浦光斑尺寸缩小而增大；而当全口径泵浦时，介质表面热形变大大减弱，较小的拉应力存在于介质内部，而且泵浦光斑和介质的几何形状对热分布有很大影响。结果还表明，介质片表面变形和热光效应是产生波前畸变的主要原因，而热应力双折射产生的附加相移与激光介质的切割方向有关，它对光束产生较大的退偏作用，从而影响激光器的输出性能。理论模型得到了实验结果的验证。     

Nd：YAG板条激光增益介质封装技术研究进展北大核心CSCD

为实现大尺寸、高储能的Nd:YAG板条激光增益介质模块的高可靠性工作,必须找到合适的封装工艺解决大尺寸无空洞、低热阻界面连接问题和界面低应力、低透射波前畸变问题。在充分了解板条激光增益介质和冷却单元的特性后,选择了延展性好的铟作为焊料,实验得到最佳焊料层厚度,通过改进封装工艺的钎焊技术将这两部分可靠地连接在一起。改进的封装工艺实现了钎焊面积大于40cm2,空洞率小于0.5%,最大空洞面积小于1mm2的技术指标,工艺重复性大于90%。通过对焊料层的优化实现了尺寸为150.2mm×30mm×2.5mm板条激光增益介质静态透射波前畸变小于1μm,成品率优于80%,静态透射波前畸变小于1.5μm的模块成品率接近100%的技术指标。采用改进封装工艺焊接的单模块Nd:YAG板条激光器稳定输出功率达到4000 W。     

高功率二极管端泵浦板条模块波前畸变实验研究

二极管激光器阵列端泵浦Nd:YAG板条具有热效应低、波前畸变小的特点,温度场和应力场的不均匀是引起板条增益介质波前畸变的主要原因。对端泵浦传导冷却Nd:YAG板条增益模块的泵浦和冷却均匀性进行了优化设计,获得了板条激光增益模块静态波前畸变最大偏差（PV）值为0.22 m。该模块用于双通放大器实验装置中,测试了板条增益模块有无注入功率条件下的波前畸变,测得无注入功率波前畸变PV值为3.49 m,能量提取后波前畸变PV值为3.41 m。在注入功率3120 W时,获得输出激光功率4660 W,光束质量为3.88倍衍射极限,该模块光光效率为27%。     

梯度掺杂Yb:YAG重频激光器热管理研究

为了改善重频激光器的热性能,本文采用了键合Yb:YAG晶体薄片作为激光增益介质,介质中掺杂粒子浓度呈梯度分布.文章计算了不同参数条件下介质抽运过程,得到介质内部的储能,温度和应力分布,并从中选出较为优化的介质参数.计算表明,采用梯度掺杂的方法,介质温度降低,形变和热应力减小,波前畸变改善.理论上证明了采用梯度掺杂的方法改善热管理的可行性.     

波面热畸变自校正型板条增益介质的瞬态温度分布

提出一种新的激光增益介质板条抽运结构,这种结构能对由激光增益介质板条温度分布不均所造成的波面热畸变实现自校正,并建立了这种抽运结构下激光增益介质板条的瞬态温度分布理论模型,通过解热传导方程,推导出板条增益介质的瞬态温度分布的解析表达式。同时对抽运参量分别为抽运脉冲能量为5.8×104J、抽运重复频率为2Hz和抽运脉冲能量为3.2×104J、重复频率为10Hz两种情况下两种下N-31型钕玻璃板条的瞬态温度分布分别进行了数值计算,分别给出两种情况下10s内和60s时钕玻璃板条的温度分布图并对结果进行了分析和对比,表明采用这种抽运结构的增益介质板条激光器可以以类似热容激光器的方式在短时间内实现高平均功率、高光束质量运转。     

侧面抽运板状激光介质的热汇冷却

高热负荷固体激光介质的热效应已经成为制约激光器功率进一步提高的严重障碍,只有对激光介质进行有效的冷却才能保证其安全运行。以不均匀换热系数模型为基础,研究了具有非均匀内热源的侧面双向抽运板状激光介质在狭窄通道强制对流冷却情况下的耦合换热问题,对热汇冷却方案下介质的温度分布和热应力分布进行了数值模拟和分析,并对复合介质、蓝宝石和金刚石三种热汇材料进行对比。结果表明,忽视换热系数的非均匀性将导致应力计算结果偏低。对于侧面抽运、侧面冷却的激光介质,金刚石热汇冷却方案最佳,蓝宝石热汇方案次之,而复合介质方案不宜采用。     

Grazing-incidence YVO4-Nd:YVO4 composite thin slab laser with low thermo-optic aberrations

We present a novel grazing-incidence composite thin slab laser (CTSL) with an almost aberration-free gain medium. The laser consists of a 260-microm thin Nd:YVO4 plate that is diffusion bonded to an undoped YVO4 slab. The Nd:YVO4 plate is cooled at just one side, suppressing temperature gradients that would induce wave-front distortions in the laser field. The pump light of a noncollimated diode bar is directly coupled into the undoped YVO4 slab and guided by total internal reflection to the attached Nd:YVO4 plate. Since any pump-beam-shaping optics can be omitted, the laser is simple and compact. We obtained transverse multimode optical output powers of 14 and 9.3 W with M2 < or = 1.3.     

锯齿形板条抽运结构的热效应数值比较

激光二极管抽运的全固态激光器中,除了激光介质的温度分布和热透镜效应以外,抽运、冷却结构对获得高光束质量、高功率激光输出至关重要。基于热传导方程,在相同的抽运功率和传导冷却边界条件下,对单侧面抽运锯齿形(zigzag)板条、单侧面键合锯齿形板条、部分抽运板条三种不同抽运结构的温度分布、热致应力、温度导致的折射率变化进行了详细的分析,并通过光线追迹方法,比较了光束在锯齿形面内和垂直于锯齿形面内的光程差,由光程差曲线分析了激光束的热透镜效应。对三种抽运结构的端面温度、端面变形和端面变形导致的光程差也进行了对比分析。结果表明,三种抽运结构在锯齿形面内的光束均表现为发散特性,在垂直于锯齿形面内的光束表现为热聚焦效应,温度导致的热聚焦特性相差不是很大。而在消除端面效应方面,键合激光板条具有明显优势。最后,提出了热透镜效应的补偿方法。     

The analysis of the transient temperature distribution of double-slab Nd:YAG laser medium

A novel double-slab Nd:YAG laser, which uses face-pumped slab medium cooled by liquid with different temperatures on both sides, is proposed. The thermal distortion of wavefront caused by the non-uniform temperature distribution in the laser gain media can be self-compensated. According to the method of operation, the models of the temperature distribution and stress are presented, and the analytic solutions for the model are derived. Furthermore, the numerical simulations with pulse pumping energy of 10 J and repetition frequencies of 500 and 1000 Hz are calculated respectively for Nd:YAG laser medium. The simulation results show that the temperature gradient remains the approximative linearity, and the heat stress is within the extreme range. Then the absorption coefficient is also discussed. The result indicates that the doping concentration cannot be too large for the high repetition frequency laser. It has been proved that the high repetition frequency, high laser beam quality, and high average output power of the order of kilowatt of Nd: YAG slab laser can be achieved in this structure.     

Effect of heat spreader thickness and material on temperature distribution and stresses in thin disk laser crystals

Yb:YAG thin disk is mounted on the surface of the W–Cu heat spreader. The back side of the heat spreader is cooled directly using jet-impingement cooling system. In order to reduce the undesirable effects caused by the increase of temperature in gain medium, numerical analysis of the influence of material type and thickness of heat spreader was performed. The effect of various materials and thickness on temperature distribution, deformation and stress in disk laser is investigated using FEM analysis. Good agreement between the temperature distribution of numerical results and experimental thermography is obtained.     

部分抽运的板条激光器的热效应分析

基于热传导方程和高斯赛德尔数值计算方法,对部分抽运板条激光器的温度分布、热应力和热致折射率变化等热效应进行了详细分析,并与单侧抽运及双侧抽运方式进行了比较。结果表明,设计合理的部分抽运板条激光器,可以获得较高的抽运效率,其热效应相比于均匀抽运的情况并没有显著劣化,不论是采用锯齿形传播方式还是直线传播方式的激光器都可以获得较好的光束质量,当一束高斯激光直线经过板条晶体中部时,光束质量因子为1.4,若采用锯齿形传播方式,则光束质量因子可提高到1.1。     

平板在任意周期表面热扰动作用下的非Fourier热传导的求解与分析

分析了平板前表面遭受任意周期热扰动这类非Fourier传热情形下的温度响应. 采用双曲型热传导方程描述平板表面温度急速变化时的热传导问题. 为求解此类方程, 首先 利用分离变量法和Duhamel积分原理, 得到了平板前表面遭受突变热流和简谐热流两种情况下的解析解.然后, 在此基础上应用Fourier级数展开法和叠加原理, 获得了平板前表面热流任意周期变化时非Fourier热传导下温度场的解析表达式. 利用得到的解析表达式进行数值模拟, 分析了不同热松弛时间、 不同时刻和不同位置对温度响应的影响, 讨论了非Fourier热传导模型所给出的温度响应与Fourier热传导模型的差别. 这种方法能够处理许多在生产实际中具有周期边界条件的非Fourier热传导问题. 关键词： 非Fourier 热传导 周期变化 温度响应 平板     

复合结构掠入射板条放大器热效应的模拟分析

为了研究复合结构掠入射板条放大器的热效应,采用在Nd:YVO4晶体抽运面上键合具有高热导率性能的蓝宝石的复合结构,并建立了相应的热力学模型,对激光介质的温度场分布、光程差（OPD）和热透镜效应进行了详细的理论分析,利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应变、光程差（OPD）及热焦距的分布情况。结果表明,板条厚度为2 mm、键合层厚度1 mm、抽运功率60 W时,复合结构相对于单一结构最高温度下降了约50 K,晶体中的最大形变量降低超过了1/3,极大地降低了介质中的热效应。