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。     

1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备中的热透镜效应

本文通过理论和实验分析了1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备过程中,高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器引起的热透镜效应和模式失配。首先根据热透镜理论模型,定量分析了高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器时,周期极化磷酸氧钛钾晶体内部热透镜的等效焦距。然后根据高斯光束与光学谐振腔的模式匹配理论模型,理论分析了高功率种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式失配量。最后在高功率明亮压缩态光场正常输出的工作状态下,重新优化种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式匹配效率,在种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW的条件下,在分析频率3 MHz处,直接测得光功率为200μW、压缩度为-10.8 dB±0.2 dB的明亮压缩态光场。上述实验结果与有关文献测得的压缩度仅相差0.1 dB,表明在本文实验系统中,高功率种子光和泵浦光引起的热透镜效应对光学参量放大器输出明亮压缩态光场的压缩度基本没有影响。     

高功率二极管泵浦模块热效应补偿研究

分析了作为放大器应用的高功率二极管泵浦模块NdYAG圆棒的热效应,包括热透镜效应和热致双折射所引起的退偏效应及其补偿方法.在光路中加入合适的负透镜可以对特定工作条件下激光棒的热透镜进行较好的补偿;使用两个增益和荧光分布等参数完全一致的泵浦模块作为放大级,在其间加入90°石英旋转片和4F像传递系统可以较好的补偿热致双折射所引起的退偏效应.并且对以上方法进行了实验验证,取得了良好的补偿效果,提高了泵浦模块的提取效率和激光输出功率.     

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。     

二极管泵浦高功率薄片激光器关键技术

固体激光器向高平均功率发展存在的最大问题是沉积在激光介质里的废热。废热的消除将导致热透镜、机械应力和退偏等效应，并由此造成光束质量的退化，激光功率的降低，甚至可能造成介质的断裂。采用薄片激光器设计可以允许介质具有高的泵浦功率密度而不产生显著的温度梯度，当泵浦区尺寸远大于薄片厚度时，热流可认为是沿厚度方向的一维分布。合理设计泵浦耦合结构，可以使薄片径向温度分布近似均匀，从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。因此薄片激光器可以定标放大到很高的平均功率。     

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。     

LD泵浦Er,Yb∶glass板条多程放大器设计及热效应分析

设计了一种LD阵列泵浦的铒镱共掺磷酸盐玻璃(Er, Yb∶glass)板条放大器，通过多次折叠反射结构来提高能量提取效率，实现1.5μm波段较大能量的激光输出，激光放大增益可达35.29倍。基于稳态热传导理论，对所设计的Er, Yb∶glass板条放大器进行了热效应分析，建立了热力耦合模型，采用有限元方法比较不同参数条件下板条介质的热力学特性。结果表明通过提高板条宽厚比和减小泵浦光功率密度可以有效缓解热效应，在此基础上提出了一种补偿波前畸变的方法。     

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。     

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。     

1.8 mJ高倍率Nd:YAG板条皮秒激光放大器

设计了一种高倍率的固体皮秒脉冲激光放大器,采用Nd:YAG板条作为激光增益介质。借助板条结构的角度选通结构,搭建了板条五通放大系统,实现了对注入皮秒脉冲激光的高倍率放大。种子源工作在脉冲模式,放大器泵浦源在连续模式工作。皮秒光纤激光器可以在不同的重复频率下工作,脉冲宽度为13.4 ps。种子光经过隔离和耦合系统之后,注入板条的单脉冲能量为25 nJ。当种子源工作重复频率为24.46 MHz时,板条放大器输出平均功率377 W,单脉冲能量15.5 μJ;当种子源工作重复频率为49.8 kHz时,板条放大器输出平均功率89 W,单脉冲能量1.8 mJ,峰值功率为134 MW,放大倍率达到7.2×104。     

The thermal effect in a grazing-incidence slab laser with the novel composite cooling method

The thermal properties of the grazing-incidence slab laser are investigated when cooling with a novel composite method, both conducted cooling and air cooling. The 3D temperature distribution and the correspondent thermal lensing effect were analytically modeled and numerically calculated. The absorption saturation and stress-optic effect were taken into account in the modeling. The influence of the parameters of the laser on the thermal lensing effect were investigated in detail. The results show a lower temperature and weaker thermal lensing effect for the composite cooling than for the traditional contaction cooling.     

Numerical modeling of the thermal lensing effect in a grazing-incidence laser

The numerical modeling of thermal lensing effect is investigated in a grazing-incidence laser. The deformation of the bounce face is introduced into the modeling for the first time, and the Gaussian distribution of the pump light and the anisotropic heat conduction are considered. The results indicate that the proportion of the deformation on the bounce face to the thermal lensing effect is as high as 80% for small grazing-incident angle of 5°. The thermal lensing effect sensitively depends on the pump power, grazing-incident angle and the pump distribution in a grazing-incidence bounce geometry laser.     

流体直接冷却薄板条介质温度及应力的解析表达

基于对流传热和热传导原理, 建立了流体直接冷却均匀抽运薄板条激光工作介质的热效应分析模型, 采用平面应力近似和最小功原理, 得到了板条工作介质内部温度分布和应力分布的解析表达式. 研究了不同流道厚度时对流热交换系数和冷却液温升与流体流速的关系, 分析了流道厚度对工作介质的温度分布和应力分布的影响规律, 讨论了之字形和直通光路时, 热致波前畸变随产热功率的变化趋势. 结果表明: 层流和湍流时, 较厚的流道可以实现更好的热管理效率; 增益介质中的热分布关于中心平面对称, 纵向最大温升出现在出水口端, 最大应力畸变集中在板条两端及其侧边; 流道厚度较大时, 工作介质更易形成一维的温度梯度, 产生的应力更小; 之字形光路可以明显缓解热光效应导致的波前畸变.     

Thermal optics distortion of face pump slab lasers with two pump arrangements

Two pump arrangements, which are the slow axis and the fast axis of LD stacks parallel to the length direction of the slab, are simulated. From the results the optical intensity along the width of the slab is Gaussian and super-Gaussian distribution, respectively. Then based on heat conduction equation and conductively cooling boundary condition, the calculation of the distribution of absorbed pump power, temperature and thermal stress with the tool of finite element analyses is performed. From these results we numerically calculate the thermal focusing in zigzag and perpendicular zigzag planes using the ray tracing method running at low and high repetition rates. It is found that the temperature distribution along width has a significant impact on the thermal stress and thermal optics distortion, especially running at high repetition rate or high average power. Finally, the conclusion was that the pump arrangement with the fast axis of LD stacks parallel to the length direction of the slab is superior to the slow axis of LD stacks parallel to the length direction of the slab in decreasing thermal lens effect and obtaining high beam quality.     

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。     

3-Dimensional thermal analysis of Yb-doped gain guided and index-antiguided fiber amplifier

In this paper, the thermal characteristics of gain-guided and index-antiguided (GG-IAG) fiber amplifier were investigated with a 3-D heat flow model, based on rate equations. From the simulation results, it is found that the longitudinal heat conduction has a very important influence on the GG-IAG fiber amplifier temperature distribution, and the GG-IAG fiber amplifier would be subjected to a more serious thermal problem. Finally, the influence of different pump directions, cooling methods, cladding radius and negative refractive index step on the temperature distribution has also been studied.     

Analysis on the temperature distribution and thermal effects in corner-pumped slab lasers

The temperature distribution and thermal effects in a high-power solid-state laser are investigated. The temperature distribution in a corner-pumped Yb:YAG/YAG composite slab is described analytically, and the thermal effects in that slab are deduced. Their influences to the resonator are also discussed. A corner-pumped Yb:YAG/YAG composite slab laser has achieved 1016 W continuous wave laser output. The experimental results support the calculated outcomes.     

大口径LD泵浦的激光放大器热沉积特性

 通过分析LD阵列端面泵浦片状放大器的工作特点，建立了对增益介质Nd:YLF进行热特性研究的有限元模型。针对泵浦能量空间均匀分布、高斯分布、超高斯分布三种情况，计算出了LD泵浦功率56 kW，脉冲宽度520 μs，重复频率10 Hz状态下晶体瞬时3维温度和热应力分布。研究结果表明：由于脉冲工作方式，晶体各节点温度随时间呈锯齿形变化，经过一段时间后吸热和冷却效果达到平衡，介质温度呈周期性变化；在相同泵浦峰值功率条件下，超高斯泵浦能量分布引起的温升和热应力最小，其最大值分别为103.3 ℃和47.6 MPa；有效泵浦功率密度达到10 kW/cm²量级时，介质极可能发生热致断裂。     

低温Yb:YAG放大器增益与热畸变特性实验研究

为了研究低温条件下Yb:YAG放大器的增益和热特性,搭建了一套液氮冷却的低温放大器,开展了实验研究。测量了不同泵浦强度下的小信号增益以及低温和常温下的介质热致波前畸变。结果表明:低温条件下,可以用更少的泵浦能量得到高于常温的增益;常温下泵浦电流200A、脉冲宽度1200μs的小信号增益为1.59;低温下泵浦电流200A、脉冲宽度400μs的小信号增益为1.82,光光效率显著提高。自发辐射放大(ASE)问题在低温下更加显著,采用短脉冲泵浦有利于降低ASE的影响。低温的热管理效果较常温有显著提高,可以在更高的平均功率下运行。