高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究

为实现半导体激光器单管的高功率输出,研究了使用氮化铝和碳化硅两种陶瓷材料制成的三明治型过渡热沉的散热性能。首先使用有限元分析方法计算,然后利用光谱法测量激光器的工作热阻。数值计算和实验测量结果均显示,碳化硅制成的过渡热沉所封装器件的工作热阻更低,散热效果更好。此外,实验进一步测试了器件的光电特性,结果表明碳化硅陶瓷制成的过渡热沉封装器件的电光转换效率更高、输出功率更大。915 nm附近单管器件在注入电流15 A时的输出功率为16.3 W,最高电光转换效率达到了68.3%。     

Cr~(2+):ZnSe全固态中红外激光器

建立了一种高质量、高效率全固态中红外激光系统,并对激光输出的效率、光束质量等指标进行了测试。首先,以二极管激光器为泵浦源,Tm~(3+):YAP晶体为增益介质,搭建了输出波长为1.97μm的近红外激光器。然后,以Tm~(3+):YAP激光器为泵浦源,自行开发研制的Cr~(2+):ZnSe单晶为增益介质,搭建了全固态中红外激光器。最后,测试了全固态中红外激光器的光束质量及激光器出光效率,并对谐振腔光效率的理论输出值与实际的激光器出光参数进行了对比。实验结果表明:此全固态中红外激光器的光光转换效率为17.2%,斜率效率为20%,在最高输出能量为3 W时的光束质量(M~2)在x和y方向分别为1.7和1.73,光束基本为圆形的高斯光斑。     

高功率半导体激光器光纤耦合实验研究

为进一步提高光纤耦合半导体激光器的输出功率,提出了一种多单管半导体激光器通过台阶分布、光束精密准直及自由空间合束实现高功率光纤耦合输出的方法,该方法具有结构简单、光学元件易于加工、耦合效率高等优点。采用这种方法对5只封装在次热沉上的单管半导体激光器开展了芯径100μm、数值孔径0.22多模光纤的耦合实验研究,当工作电流为7.0 A时,光纤连续输出功率为21.8 W,亮度为1.83 MW/(cm~2·sr),耦合效率为70.32%。     

C-mount封装激光器热特性分析与热沉结构优化研究

为了降低单管半导体激光器的结温、提高器件的散热效果,基于C-mount热沉的热特性分析提出了一种优化的台阶热沉结构,研究了单管激光器结温和腔面侧向温度分布曲线的影响。在热沉温度298 K和连续输出功率10 W的条件下,腔长为1.5 mm的典型C-mount封装结构激光器的结温为343.6 K,热阻为4.6 K/W。通过在典型C-mount热沉中引入台阶结构,使封装激光器的结温降低为333.8 K,热阻减小到3.5 K/W。计算表明,其输出功率可提高近20%。     

20W腔外倍频全固态Nd：YAG绿光激光器

研制了一台高光束质量的全固态Nd:YAG激光器,采用KTP腔外倍频,获得了大于20 W准连续绿光输出,峰功率可达1.15×10 5 W,光束质量因子M2值约为4。     

高功率准连续波腔内和频全固态黄光激光器

报道了高功率准连续波腔内和频全固态黄光激光器的研究结果.为获得高功率的黄光输出,首先,激光器采用准连续方式运转,在保持抽运水平的条件下降低热效应,从而提高光束质量和光光转换效率;第二,采用热近非稳腔腔型设计,双棒串接补偿热致双折射技术,获得大基模体积高光束质量的基频光;第三,通过优化腔型,采用L型共折叠臂平-凹对称腔,使两束基频光达到空间重合且满足功率配比.通过这些方法,得到了输出功率7.6W,重复频率1.1kHz的准连续波黄光输出.据我们所知,这是目前腔内和频方案所获得的最高功率全固态黄光输出. 关键词： 黄光激光 腔内和频 Nd：YAG激光 全固态激光器     

百瓦级近衍射极限VCSEL泵浦激光器

报道了高功率、高光束质量的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)侧泵的Nd:YAG激光振荡器。从VCSEL泵浦源的主动冷却的热沉结构出发,设计了5个227 W的VCSEL线阵,并且通过优化侧面泵浦大口径激光棒的结构,研制成了具备480 W输出能力的棒状激光模块,相应的光-光效率为49.7%。在此基础上,设计了一种高功率、高光束质量的VCSEL侧面泵浦棒状Nd:YAG激光振荡器。腔内插入望远镜光学元件,并通过优化各光学元件的参数使其工作在热近非稳区域,以达到增大基横模体积和抑制高阶横模目的。最终,获得114 W的输出功率,相应的平均光束质量因子M2为1.42。由于VCSEL具备优秀的波长-温度稳定性,这种高功率、高光束质量的VCSEL泵浦的固体激光器在工业、空间等领域,具有极为广阔的应用前景。     

104 W内腔倍频全固态Nd:YAG绿光激光器

报道了一台高功率内腔倍频全固态Nd:YAG绿光激光器,针对KTP晶体热效应和激光热稳定腔,采取了对KTP晶体进行低温冷却的优化措施,以便减少KTP晶体的热效应导致的相位失配,同时兼顾了Nd:YAG棒的热致双折射效应和KTP晶体热透镜效应,设计了热稳定谐振腔;实验中采用80个20 W激光二极管阵列侧面抽运Nd:YAG棒和Ⅱ类相位匹配KTP晶体(在27℃时相位匹配角为φ=23.6°;θ=90°,尺寸为7 mm×7 mm×10 mm)内腔倍频技术,谐振腔腔长为530 mm,KTP晶体的冷却温度为4.3 ℃,抽运电流为18.3 A时,实现平均功率达104 W、脉冲宽度为130 ns的532 nm激光输出;其重复频率为20.7 kHz.光-光转换效率为10.2%.     

基于束腰劈裂偏振合束高亮度窄线宽半导体激光器

将一个808 nm宽发射区半导体激光器应用于纵模选择束腰劈裂偏振合束外腔中,实现了高光束质量、高亮度和窄线宽的激光输出。所获激光输出功率为5.08 W,快慢轴光束质量M²=1.85×18.2,慢轴光束质量较自由运转激光器提高48%,输出激光亮度B=22.74 MW·cm^-2·sr^-1,是原激光器自由运转的1.3倍。所获激光光谱线宽为0.47 nm,压缩至原激光器自由运转的光谱宽度的0.14。     

激光窗口热效应对光束发散角的影响

以DF激光器CaF_2输出窗口为例计算了三种输出功率(10~3W,10~4W,10~5W)情况下,窗口材料的温升、波阵面畸变及对光束发散角的影响。计算中窗口直径为40mm,厚度为10mm,光束直径为20mm。     

四硼酸铝钕晶体及其小型全固态激光器

当前,全固态激光器在向万瓦级大功率方向发展的同时,也在向微型化发展。利用碟片全固态激光器可获得千瓦级以上激光,利用微片全固态激光器则可实现小体积、高密度、中小功率激光输出。获得高功率高密度激光的关键在于激光材料。本文从碟片和微片激光器的发展和对激光基质材料的要求出发,概述自激活激光晶体的研究,特别对四硼酸铝钕[NdAl3(BO3)4,简称NAB]晶体的结构、生长、性质及其作为有应用前景的小型片状激光器的候选材料作了详细的介绍。近期,采用面积为4×4 mm2,厚度为0.39 mm的微片NAB晶体,用885 nm半导体激光器为光源泵浦,获得了4.6 W的1.063μm激光的有效输出,其斜效率达到64%,充分显示了NAB晶体作为自激活激光晶体在微片激光器中的应用前景。     

Improvement of diode-end-pumped 912 nm Nd:GdVO<Subscript>4</Subscript> laser performance based on microchannel heat sink

To solve the thermal dissipation problem in diode-end-pumped solid state lasers and improve the performance of 912 nm Nd:GdVO₄ lasers, a novel microchannel heat sink is designed and used in the experiments. Heat-transfer coefficients for the common heat sink and microchannel heat sink are calculated. The results obtained for the heat-transfer coefficient for the heat sink with a channel width of 0.2 mm is almost 5 times higher than that of the common one. The heat resistance for the novel heat sink is analyzed. Simulation results show that the maximum temperature in the laser crystal is reduced by 19°C at an absorbed pump power of 24.0 W, and the heat transfer ability significantly increases if the microchannel heat sink is used. Experimental results also indicate that the performance for a 912 nm laser is improved significantly using the novel heat sink, especially from the aspects of laser-beam quality and power scaling.     

四硼酸铝钕晶体及其小型全固态激光器

当前,全固态激光器在向万瓦级大功率方向发展的同时,也在向微型化发展。利用碟片全固态激光器可获得千瓦级以上激光,利用微片全固态激光器则可实现小体积、高密度、中小功率激光输出。获得高功率高密度激光的关键在于激光材料。本文从碟片和微片激光器的发展和对激光基质材料的要求出发,概述自激活激光晶体的研究,特别对四硼酸铝钕[NdAl3(BO3)4,简称NAB]晶体的结构、生长、性质及其作为有应用前景的小型片状激光器的候选材料作了详细的介绍。近期,采用面积为4×4 mm2,厚度为0.39 mm的微片NAB晶体,用885 nm半导体激光器为光源泵浦,获得了4.6 W的1.063 μm激光的有效输出,其斜效率达到64%,充分显示了NAB晶体作为自激活激光晶体在微片激光器中的应用前景。     

大口径谐振腔式固体激光中的动力学不稳定性研究

大口径谐振腔式固体激光定标到足够高功率后,由于非稳定腔内激光不对称振荡导致介质上激光强度横向不均匀,激光提取与介质产热耦合会引起激光输出功率和光束质量在时域上的不稳定性。针对三种激光器构型:Nd:YAG薄片、Yb:YAG薄片和浸入式液冷叠片激光器,通过理论分析与数值模拟揭示了其各自不同的光热耦合机制及其影响因素,给出了激光输出的瞬态演化规律。结果表明,前两种构型中基于激光动力学的光热耦合具有饱和效应,其动力学不稳定性只出现在特定参数区间,可以通过恰当的设计加以避免;第三种构型中动力学不稳定性表现出明显的阈值特征,在强光状态下只能通过减少冷却液吸收系数来抑制。     

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。     

百瓦级高亮度光纤耦合半导体激光模块的研制

用3只976 nm半导体激光短列阵作为子模块,研制出连续工作的百瓦级高亮度光纤耦合模块。首先,利用光束转换器将每个半导体激光短列阵进行光束整形;然后采用空间复用技术将3个半导体激光短列阵在光参数积小的方向上叠加,并利用倒置伽利略望远镜作为扩束器进一步压缩发散角;最后利用优化结构的透镜组将激光聚焦到芯径200 μm,数值孔径为0.22的光纤中。测量结果显示:聚焦后激光的发散角为24.8°,焦平面的光斑尺寸为175.2 μm;耦合后测量光纤出光功率可达107 W,对应亮度为2.23 MW/(cm²·sr),达到了国内利用列阵进行光纤耦合的领先水平;在工作电流为52.5 A时,电光转换效率为43.1%,远高于全固态等激光器;最后测量本模块在不同驱动电流时的光谱,并以此计算出模块的热阻为1.29 K/W,说明它的散热性能良好。结果表明,本光纤耦合模块适合应用于泵浦光纤激光器、医疗和激光加工等领域。     

Diode end pumped Nd:YAG laser at 946 nm with high pulse energy limited by thermal lensing

Diode lasers with peak powers in the kW range and pulse durations of micro- to milli-seconds have been available since several years. Pumping solid state lasers with such sources yield high output pulse energies in spiking or Q-switched operation. The output energy is limited by the thermal lens effects, which are measured and calculated. The time dependent heat conduction equation in the laser crystal is solved numerically to predict the overall temperature rise and thermal lensing. The thermally induced optical path difference is approximated by a quadratic distribution to obtain the focal length f of the thermal lens. The thermal lens coefficient K=1/(f⋅P _av), which depends only weakly on the heat transfer coefficient H of the laser crystal to the heat sink, decreases exponentially with increasing pump frequency until the steady state is reached. Experiments were done with a Nd:YAG crystal at different pump frequencies up to 100 Hz. The thermal lens coefficients obtained by the power maxima of asymmetric flat-flat resonators agree with our calculations.     

薄片激光器热效应及其对输出功率的影响

建立了光强分布为高斯型的抽运光端面单程抽运时薄片激光器的温度模型, 实验测量了不同抽运功率下薄片介质表面的 温度分布、温度随时间的变化特性以及介质表面的温度差. 采用Hartmann法测量了薄片介质的热焦距. 考虑热焦距随抽运功率的变化, 基于四能级系统薄片激光器的速率方程组, 建立了薄片激光器热效应对输出功率影响的物理模型, 薄片激光器输入-输出功率曲线与实际相符. 所得结果对薄片激光器的设计和优化具有一定的指导意义.     

烟火泵浦钕玻璃激光器出光实验研究

 烟火泵浦是激光器小型化、便携化的一种解决方法。研制了一种用于钕玻璃激光器泵浦源的化学试剂,其主要成分为金属粉和碱金属含氧酸盐。设计了烟火泵浦钕玻璃激光器实验装置,激光器采用平-凹腔结构、紧包型侧面泵浦,输出镜反射率98％,钕玻璃棒尺寸f8 mm×100 mm。采用A,B两种配方的泵浦源进行出光实验,A配方得到了波长为1 053 nm能量为29 mJ的激光,B配方没有出光。分别计算了两种泵浦源的阈值辐射强度,并与测量得到的药剂辐射强度平均值比较。A配方所提供的辐射强度2.68×104 W·sr^-1,大于阈值2.37×104 W·sr^-1;B配方小于阈值,未能出光。这与实验结果吻合,证明烟火泵浦方法可行。