450W二极管泵浦Nd：YAG薄片激光器

二极管泵浦高平均功率固体激光器在工业、科研和军事等领域具有非常广泛的应用。光学泵浦将在固体激光介质里产生废热并引起介质温度升高。激光器的连续运转要求实时冷却以消除废热。由于固体激光介质的热导率通常较低，因此在激光介质内部和冷却表面之间将产生显著的温度梯度，这就导致了折射率梯度、机械应力和退偏等效应，进而降低光束质量，减小输出功率，甚至造成介质的断裂。这些效应是固体激光器向高平均功率定标的最大挑战。采用薄片激光介质是解决这一问题的有效手段之一。     

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。     

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.     

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。     

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。     

脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器时变热效应分析北大核心CSCD

建立了激光二极管阵列(LDA)侧面泵浦棒状Nd:YAG增益介质时变热效应理论计算模型。采用有限元Ansys软件模拟分析了脉冲LDA侧面泵浦大能量固体激光器的时变热效应特性。研究结果表明,所研究的脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器热效应具有时变特性,介质横截面内中心点处的稳态温度场分布随时间呈锯齿形周期变化,锯齿形变化频率为LDA泵浦频率,脉冲LDA泵浦参数对介质稳态温度场分布有较大影响。分析和计算了介质内热梯度、应力双折射以及激光晶体端面效应等导致的晶体热透镜焦距。计算表明,介质的热焦距主要来源于介质内温度梯度引起的热透镜焦距。     

脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器时变热效应分析

建立了激光二极管阵列(LDA)侧面泵浦棒状Nd:YAG增益介质时变热效应理论计算模型。采用有限元Ansys软件模拟分析了脉冲LDA侧面泵浦大能量固体激光器的时变热效应特性。研究结果表明,所研究的脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器热效应具有时变特性,介质横截面内中心点处的稳态温度场分布随时间呈锯齿形周期变化,锯齿形变化频率为LDA泵浦频率,脉冲LDA泵浦参数对介质稳态温度场分布有较大影响。分析和计算了介质内热梯度、应力双折射以及激光晶体端面效应等导致的晶体热透镜焦距。计算表明,介质的热焦距主要来源于介质内温度梯度引起的热透镜焦距。     

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。     

低功率激光热透镜效应的模拟及研究

与高功率激光相比,低功率激光更安全,其热透镜效应对激光功率变化更敏感,更适合用于实验教学.本文利用有限元法模拟低功率激光的热透镜效应,模拟介质温度场和等效热透镜焦距,定量探究低功率激光热透镜焦距与激光功率以及介质热吸收率、厚度的关系.模拟结果与实验数据符合良好,为探究低功率激光热透镜效应实验提供理论依据.     

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%.     

Nd:YAG棒中的热光效应计算

激光通过工作物质时所产生的热透镜以及应力双折射两种效应是高功率二极管泵浦激光器(DPL)的设计和优化过程中必需考虑的因素.讨论了采用有限差分光束传播法计算热透镜效应及结合材料的弹光系数矩阵计算应力双折射效应的一般方法,并具体针对长6 cm、均匀泵浦的NdYAG棒,计算了这两种效应对光束的影响.结果表明,由于热透镜的聚焦效应,棒中心的光场振幅在通过棒后增大了6%,棒中心与边缘产生了20个波长的相位差;同时,应力引起的双折射造成了约30%的功率损失.     

高功率薄片激光介质温度与应力数值模拟

NdYAG薄片激光介质采用上表面二极管阵列泵浦,下表面冷却的工作方式,对NdYAG薄片激光介质和Cu冷却器建立了理论计算模型.分别计算了在不同泵浦面积的条件下薄片的温度分布和应力大小,薄片泵浦面积大小与应力的关系,以及在NdYAG薄片与Cu冷却器之间增加与NdYAG热膨胀系数相近的介质层材料对应力影响的关系.计算结果表明在泵浦功率密度、外界温度和冷却条件一致的情况下,泵浦光泵浦整个薄片时总体应力最小,应力主要是由于NdYAG薄片与Cu冷却器热膨胀系数不匹配而产生的,增加介质层能改变应力大小;泵浦光泵浦部分薄片时总体应力较大,应力主要是薄片泵浦区与非泵浦区温差造成的,与介质层无关.     

高功率叠阵二极管激光器光束整形

采用光线追迹法详细分析线阵二极管激光器经微球面柱透镜快轴准直后的光强变化情况,利用快轴准直微球面柱透镜的球差可调整输出激光光强分布的特性,得出了快轴准直输出发散角约5°时光强分布具有较好的平顶形式。根据叠阵二极管激光器输出光的特点,设计了由25个二极管激光器组成的叠阵二极管激光器的光束整形输出系统,该系统由快轴准直微透镜、快轴耦合透镜和慢轴耦合透镜组成,把需要泵浦的激光介质薄片设计在快轴耦合透镜的焦点上,并且在慢轴耦合透镜的成像面附近,得到了7mm×8mm的泵浦光斑,光强不均匀性约10%,输出效率达到85%。     

激光热透镜效应及其等效焦距测量实验设计

基于共轴双光束干涉法设计了激光热透镜效应及其等效焦距测量装置.使用厚度约为200μm的薄酱油层样品作为观察热透镜效应的介质,将其置于半导体激光器的汇聚点上,可以在光屏上观察到同心衍射圆环,定性演示激光热透镜效应,并对热透镜的等效焦距进行定量测量.实验结果显示:薄酱油层在半导体激光照射下产生的热透镜效应可等效为凹透镜;基于共轴双光束法的热透镜等效焦距测量较为准确,利用Origin软件对8组实验数据进行线性拟合,相关系数为0.997.     

固体激光棒热透镜焦距的测量

固体激光棒中的热透镜效应对激光器的性能有很大的影响.在固体激光器的热稳腔的设计中也需要知道激光棒的热透镜焦距的数值,因此测量激光棒的热透镜焦距是必要的和有意义的.我们采用类似于文献[1]中的方法,测量了三种常用的固体激光棒在泵浦期间和泵浦后,各个时刻的热透镜焦距的数值.在单脉冲泵浦期间,红宝石、Nd:YAG和钕玻璃三种激光棒的热透镜焦距均为负值. 测量热透镜焦距的原理如图1所示.设He-Ne探测激光束的束腰半径为ω0,束腰和光阑离热透镜的距离分别为d1和d2。ωn和ωm分别为存在热透镜(例如负透镜)和无热透镜时探测激光束到达光…     

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。     

端面抽运固体激光器热透镜效应的实验研究

提出一种易于实现、对激光器本身没有干扰、高空间精度、可实时测量介质热透镜的干涉测量方法. 并利用此方法全面研究了端面抽运Nd:YVO4激光器的热透镜效应，为认识激光介质的热效应和设计此类激光器提供了参考.  关键词： 热透镜 端面抽运 固体激光器     

LDA侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器模拟与实验研究

介绍了一种激光二极管叠阵（LDA）侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光放大器构型,采用三维光线追迹方法进行了详细的模拟仿真,优化设计了此放大器系统的泵浦耦合结构,主要研究了多边形增益介质的掺杂离子浓度与侧面切角对介质内部泵浦光分布的影响。在晶体厚度1.5 mm、端面口径16 mm的条件下,侧面切角在35°～65°,Nd3+掺杂浓度为0.20 at.%～0.30 at.%时,模拟仿真中Nd:YAG多边形薄片对泵浦光的吸收分布较均匀,泵浦光分布均匀性均优于0.1,同时在实验中得到了平顶的荧光分布和增益分布。介质内储能的均匀平顶分布有利于实现高功率高光束质量的激光输出,为侧面Zigzag泵浦多边形薄片激光器系统的设计与进一步实验提供了重要参考。     

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     

100W二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器

 报道了一台高效率二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器，采用高效均匀泵浦耦合技术，在峰值功率1.008kW，占空比25％, 电-光效率大于45%的二极管激光阵列泵浦下，用一块1mm厚的Nd:YAG薄片激光介质，获得了峰值功率404W，平均功率101W的准连续激光输出，光-光效率达到40%，电-光效率超过18%。