热容激光器激光介质的热力学数值模拟

热容激光器的热容管理模式与传统的实时主动冷却方式有着不同的温度、应力特性。为讨论激光介质的温度、热应力的分布和变化，建立了激光介质热力学计算模型。     

热容型板条激光器3种介质的温度和应力分布比较

阐述了热容型板条激光器重频工作方式下瞬态温度分布和热应力分布解析模型,对Nd∶glass,Nd∶YAG和Nd∶GGG3种介质的温度和热应力分布进行了数值计算和对比分析.结果表明:3种介质的温度分布和应力分布呈现相同的变化趋势.Nd∶glass的温度梯度比其他两者大,Nd∶YAG和Nd∶GGG温度变化非常接近;Nd∶YAG的应力较大,Nd∶GGG次之,Nd:glass最小,但三者差距不大.考虑到三者承受的最大断裂阈值,Nd∶GGG最好,Nd∶YAG次之,Nd∶glass较差.     

Tm:YAG激光器晶体热效应数值模拟

对采用晶体棒端部辅热方法实现低温工作的Tm:YAG激光器,建立了晶体棒热效应理论模型,采用有限差分法对晶体棒温度场、应力场及光学畸变进行模拟计算.模拟结果表明:辅热设计可显著减小晶体最大应力,减小应力损坏;端部辅热使得温度和应力分布复杂,引起折射率分布多变,但变化值小,说明端部辅热对光线在晶体内的传播影响微小;辅热区域结构紧凑,且对激光器封装产生的影响较小.     

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。     

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.     

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.     

固体棒状热容激光器的热分析

 计算出固体棒状热容激光器在不同散热边界条件下的温度分布和随时间的演变，与实验测量的结果进行了对比。计算结果表明：激光器工作在热容模式时，不同散热边界条件下激光介质内的温度分布在激光发射期间区别不大，激光发射期间，激光介质内的温度分布主要取决于泵浦光的吸收。但是散热过程中的不同散热边界条件下温度分布演化大不相同，此时的温度分布主要取决于散热边界条件。     

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。     

高功率掺镱双包层光纤激光器中光纤损伤及其理论分析

针对高功率掺镱双包层光纤激光器热效应引起的光纤损伤情况,由热传导方程,结合边界条件推导了两端泵浦情况下双包层光纤激光器光纤内的温度分布及热效应引起的应力分布,并对光纤内的温度分布和应力分布进行了数值模拟.结合模拟结果,对光纤的损伤进行了解释,分析了引起光纤热效应的主要因素.对两端泵浦情况的模拟与分析符合高功率光纤激光器的实际工作情况,这对优化高功率光纤激光器的设计有一定的参考价值.     

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.     

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。     

二极管泵浦Nd:YAG圆片激光技术研究

介绍了热容激光技术的发展历史及现状,介绍了固体激光器热容方式工作的基本原理,报道了二极管泵浦NdYAG圆片激光器热容方式工作的实验结果.用热像仪测量了激光器工作时增益介质通光面上的温度分布特性;采用干涉测量的方法测量了工作中的增益介质的与光束传输方向相垂直的方向上的折射率分布特性;结果表明片状固体增益介质热容方式工作对振荡光束波前畸变影响很小.给出了与光束传输方向相垂直的截面上增益介质的荧光分布.得到输出平均功率达47.5 W,此时的光-光转换效率为17%.     

Review of the formula of thermal focal length in side-pumped laser rods

The expressions of focal length in side-pumped rod lasers are studied. Good agreement is obtained between simulation and experiments reported previously, using Koechner's theory. The results reveal that underestimation of thermal lens accrues from overestimating the material's thermal conduction and without considering the nonuniform heat deposit. In the case of Nd:YAG rods, temperature-dependent variation of the refractive index constitutes the major contribution of thermal lensing, whereas the temperature- and stress-dependent variations of the refractive index make the major contributions of thermal lensing for Nd:Glass rod lasers.     

液体介质快脉冲电压下击穿特性研究

设计了液体介质快脉冲击穿试验装置和电压电流测量系统，研究了重复频率、电极形状及电极间距与介质击穿场强、击穿电压和击穿时延等击穿特性参数的关系，比较了变压器油、十二烷基苯、蓖麻油三种典型液体绝缘介质在直流及快脉冲电压作用下的绝缘性能。结果表明:短脉冲持续时间下液体绝缘材料有异常高的击穿场强；重复脉冲串作用下的击穿场强比单个脉冲下明显减小，重复频率2 kHz时击穿场强减小了约30％；电极头半径大小对击穿也有影响，半径R＝5 mm时，击穿电压最高；击穿时延随击穿场强减小而变长，在其他条件相同的情况下，测得击穿时延随机波动；蓖麻油的快脉冲电压绝缘性能最好，变压器油次之。     

热容型大功率半导体激光器瞬态热特性

为研究热容型大功率半导体激光器在低环境温度、高瞬时功率、长工作间歇时间条件下的应用,建立三维瞬态热传导模型,通过有限元法计算得出热沉三维尺寸对半导体激光器瞬态热特性的影响。选取尺寸为26.6 mm×11.5 mm×4 mm的热沉进行热容型半导体激光器的封装测试,获得其在-20℃和-30℃环境温度下连续工作3.5 s过程中有源区温度随时间的变化曲线,并与数值计算的结果进行对比。结果表明,两者在误差范围内能够很好地吻合。     

钛宝石激光器端面抽运Nd:YAG陶瓷激光器热沉积理论和实验研究

通过热沉积系数研究在激光提取条件下掺杂原子分数为1.0%的Nd:YAG陶瓷激光器中热沉积问题.热沉积系数定义为热沉积功率与激光器输出功率之比.在理论分析基础上，通过测量激光器斜率效率来间接测定热沉积系数，实验测定的热沉积系数值为0.63.建立激光提取条件下Nd:YAG陶瓷发热模型，讨论了影响热沉积系数的主要因素.结果表明：热沉积系数对Nd:YAG陶瓷的辐射量子效率、交叠效率以及激光提取效率的变化非常敏感.为有效减少介质内热沉积，在激光器优化设计中交叠效率和激光提取效率是需要着重考虑的参数.所得结果可为进一步研究陶瓷激光器中热效应提供参考. 关键词： 热沉积 Nd:YAG陶瓷 固体激光器     

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。     

传导冷却单巴高功率半导体激光器热应力和smile研究

利用有限元模型分别研究了回流过程和工作过程中传导冷却高功率半导体激光器的正应力、切应力和形变,并借助理论公式分析了热应力和smile的产生原因和分布规律.分析表明,在回流过程中热膨胀系数不匹配造成的切应力是正应力和变形的根源,而在工作过程中,热膨胀系数不匹配和温度梯度共同影响着热应力和变形.在此基础上,将回流导致的剩余应力和变形作为初始条件施加在有限元模型上,对工作状态器件的热应力和smile进行模拟,以获得更精确的模拟结果.最后,通过有限元模型和实验手段研究了不同热沉温度对smile的影响.结果表明,工作过程会导致器件的smile增大,热沉温度的升高也会造成smile进一步增大.     

Semianalytical thermal analysis of rectangle Nd:GGG in heat capacity laser

Based on the theory of anisotropy semianalytical thermal analysis, the temperature field of rectangle Nd:GGG heat capacity laser crystal is investigated. Through an analysis of the working characteristics of the heat capacity laser crystal, a thermal model of heat capacity laser crystal is established. Using a new method for the anisotropic medium heat conduction equation, a temperature field expression of rectangle Nd:GGG heat capacity laser crystal for pumping stage and cooling stage is obtained, respectively. These results show that when using the output power of 300 W LD end-pumped rectangle Nd:GGG crystal for 10 seconds, the maximum temperature rise in the center of the pump face is 180.18°C, and after stopping pumping for 100 seconds, the maximum temperature rise drops to 0.74%. These results from this work provide a theoretical basis for the optimized design of a LD end-pumped heat capacity laser.     

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。