液冷薄片构型激光器及其热管理技术

为了解决增益介质的热效应问题,提出了一种浸没式构型液冷激光器方案,该构型激光器在10Hz重复抽运频率下,获得了615mJ的能量输出,光光转换效率为21%,斜率效率为23%.基于流体力学和热力学原理,建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型,利用软件模拟和有限元分析法,研究了在不同流速、泵浦功率条件下,整个增益区的温度场、速度场的分布特性;并基于增益区温度场的分布,分析了液冷条件下通过增益区的激光波前畸变特性.结果表明,增益介质的最大光程差为0.7666λ,冷却液最大光程差为-4.7331λ,说明该构型激光器有着良好的热管理性能.     

直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响

近年来,直接液体冷却薄片激光器因其体积功率比小,热管理能力强等优势而成为研究热点.本文建立了一套直接液体冷却薄片激光器波前畸变的分析方法.应用该方法研究了直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响.计算分析了均匀性为92%, 80%和70%,且总的抽运功率不变时,激光器高阶像差分布情况.随着均匀性逐渐减弱,激光器中高阶像差逐渐增强,低阶像差量基本保持不变.实验中,设计加入波导和未加入波导结构,构建了均匀性为92%和70%的抽运光分布,分别测量了两种情况下的波前抖动情况以及波前畸变分布,抽运功率为5 k W时,测量获得了整个增益模块的光程差高阶分量(OPD_H),其畸变量均方根(RMS)值为0.66μm和0.79μm,实验结果和理论分析结果基本趋势一致.     

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.     

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%。     

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%。     

Nd:YAG板状激光器的理论和实验研究

本文对Nd:YAG板状激光器进行了理论和实验研究。给出了板状介质在重复率泵浦和连续泵浦情况下的温度分布和应力状态的解析解,对板的热效应进行了分析与讨论。并用一块9×30×70mm~3的Nd:YAG板状材料,对其热效应进行了测量与分析。实现了“之”字形光路板状激光器的高重复率运转,在50Hz时,输出能量约600mJ,平均功率30W。     

Nd:YAG方形薄片激光器3维温度及热应力的数值模拟

在有限差分迭代方法的基础上,利用MATLAB程序模拟计算了在超高斯泵浦光连续作用下Nd:YAG薄片激光器中方形薄片介质的3维瞬态和稳态温度分布。根据热平衡微分方程和热弹性体边界条件,由3维温度分布数值模拟了介质的3维位移和热应力。有限差分迭代方法避免了常规的有限元法需要求解超大稀疏矩阵而导致的占用系统的内存数增加和计算速度等问题。模拟计算得到的介质温度分布和应力分布与实验结果相符合。     

Nd:YAG方形薄片激光器3维温度及热应力的数值模拟

 在有限差分迭代方法的基础上,利用MATLAB程序模拟计算了在超高斯泵浦光连续作用下Nd:YAG薄片激光器中方形薄片介质的3维瞬态和稳态温度分布。根据热平衡微分方程和热弹性体边界条件,由3维温度分布数值模拟了介质的3维位移和热应力。有限差分迭代方法避免了常规的有限元法需要求解超大稀疏矩阵而导致的占用系统的内存数增加和计算速度等问题。模拟计算得到的介质温度分布和应力分布与实验结果相符合。     

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%。     

40mm孔径Nd:YAG片状器件的激光特性研究

本文首次报道了40mm孔径Nd:YAG片状激光器的激光特性.理论分析表明这类器件可望获得千瓦级激光平均功率.     

脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器时变热效应分析

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。     

非均匀激光辐照下硅镜热变形对光束传输特性的影响

 使用有限元法计算了硅镜在DF化学激光器非稳腔输出的中空非均匀激光辐照下镜面温升和反射面面形随时间变化的特性,使用65阶Zernike多项式对镜面面形进行了曲面拟合,使用光线追迹的方法计算了平行光束经不同数量硅镜反射后的光束波前分布PV值、Strehl比和Zernike像差系数随时间变化的特性。计算结果表明：在典型的DF激光器输出的中空方形光束辐照下,硅反射镜的热变形将使反射光束产生波前畸变,波前畸变中,y方向像散项占据主要地位,其次是离焦项;随着激光系统中反射镜面数量的增加,高阶像差系数将逐渐增大,且波前PV值与反射次数成线性关系。     

热容模式下激光介质的动态光学畸变

 开展了热容模式下激光介质动态光学畸变研究,初步分析了温度梯度、光弹效应及介质端面变形对整个波前畸变带来的影响,并将光学畸变转化为谐振腔损耗,数值模拟了热容激光器输出功率随时间的变化规律,模拟结果表明：当激光器工作温度低于400 K时,由粒子数玻耳兹曼分布引起的功率下降可以忽略,动态热效应是实验中热容激光器输出功率随时间快速下降的原因。     

A 12.1-W SESAM mode-locked Yb:YAG thin disk laser

Pumped by a 940 nm fiber-coupled diode laser, a passively mode-locked Yb:YAG thin disk oscillator was demonstrated with a semiconductor saturable absorber mirror(SESAM). 12.1 W mode-locked pulses were obtained with pulse duration of 698 fs at the repetition rate of 57.43 MHz. Measurement showed that the beam quality was close to the diffraction limit.     

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.     

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路（TTL）信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。