阵列口径Nd：YAG片状激光器重复频率输出特性研究

 介绍了一种新型阵列口径的固体片状激光器的设计及初步实验，研究了其激光输出特性。激光器采用2×1阵列的以布儒斯特角放置的片状Nd:YAG激光头模块，并采用氙灯泵浦方式，由平均功率为60 kW电池组电源供电；电源采用大电流恒流放电，对输出放电进行可编程控制。实验得到32 J的单脉冲输出，小信号增益系数为0.047 5 cm^-1；泵浦单脉冲运行，脉宽为1~5 ms时，输出能量呈线性增长；当重复频率为20 Hz时，5 ms脉宽比1 ms脉宽输出功率下降30%，其原因是布儒斯特角结构存在时，由热应力引起的热致双折射损耗造成输出下降。     

基于鬼像和像差分析的高功率激光装置透镜设计

为了设计能够满足高功率固体激光装置需求的空间滤波器透镜,采用矩阵光学方法,分析光束经过单透镜传输时剩余反射形成各阶鬼像的过程,得到鬼像位置与透镜曲率半径的关系式.该关系式表明,透镜的曲率半径设计可以控制鬼像所在的区域.根据高功率激光装置光路排布的特点简化鬼像分析,利用自行开发的鬼像追迹软件分析了主放大级鬼像分布特点.通过改变透镜的曲率半径和倾斜透镜这两种方式,基于鬼像规避和像差最小化两种原则,最终确定主放大级透镜曲率半径的最优选择为1:3弯月型,凸面朗向光学元件集中的方向.该方法可普遍应用于指导高通量复杂光学系统的透镜设计.     

角锥阵列改善固体热容激光器光束质量

 为改善光束远场质量,探索研究了角锥反射器的应用,利用角锥棱镜的准相位共轭特性,将角锥棱镜阵列作为热容激光器的后腔镜,抑制腔内波前畸变,并通过数值模拟计算对角锥阵列的单元边长进行优化设计。实验结果表明:角锥阵列对光束远场质量有明显的改善,当角锥阵列的单元边长为4 mm时,实现光束远场7倍衍射极限输出。     

大口径端泵片状放大器的泵浦耦合系统（英）

为了满足片状激光放大器对泵浦功率密度的要求,设计并加工了高缩束比的耦合系统。根据LD的发光特性,将输出功率为80 kW的LD阵列进行拟球面排列,采用正交柱面透镜配合空心导光管进行泵浦耦合,将发光面积为330 mm85 mm的泵浦光,在输出口处压缩至18 mm18 mm的口径,耦合系统的缩束比高达86∶1。模拟计算表明,该耦合系统的耦合效率对导光管反射板的反射率依赖性较低。实验测量该耦合系统的效率为84.2%,输出口处泵浦光场快慢轴的调制度分别为1.30和1.18,且脱离耦合系统后的泵浦光传输8.5 mm后,依然可以保持泵浦光场的轮廓。该耦合系统在效率、泵浦场均匀性、传输性等方面均满足端面泵浦的片状放大器对泵浦耦合系统的要求。     

高重复频率水冷Nd:YAG激活镜放大器的温度特性

为解决高重复频率大能量激光放大器的热管理问题,采用数值模拟与实验分析的方法,对背面水冷Nd:YAG激活镜放大器的流体散热进行了研究.基于低雷诺数k-ε湍流模型,建立了流-固共轭传热多物理场藕合分析模型,对比分析了近壁面处理方法对流体流动、对流扩散和热传导过程及温度分布的影响,分析研究了不同冷却液流量和泵浦参数对流场特性、激光介质温度和波前分布的影响.数值模拟表明:激光介质的温度分布与固液边界层内的黏性作用密切相关,且冷却液的热扩散主要发生在100μm范围内;激光介质的热沉积分布中心对称,而温度分布沿水流方向不对称,最大温升位于出水口端且基本保持不变;增益介质前表面的温度分布与介质的波前分布随冷却液流量非线性变化,而随泵浦参数线性变化;实验结果与数值模拟符合较好.     

一种新型有源镜激光器定标放大实验

基于大口径片状Nd∶YAG介质,采用双色膜技术设计并研制了高效率V形有源镜(AM)激光器。该激光器有四个模块,每个模块包含两片大口径Nd∶YAG片状介质。实验结果表明,四模块工作时,该激光器的脉冲输出能量为47 J,全系统效率达到了1.2%,斜率效率约1.3%,与理论预期值符合。同时利用该激光器的模块化设计特点,重点研究了单脉冲激光输出与模块数目的定标放大关系。结果表明,激光器的输出能量与模块数目基本呈线性关系,显示出该多模块有源镜激光器的定标放大优势,适合高平均功率运转。     

评估固体激光器对流换热系数的方法

 为提高固体激光器的热管理效果,提出了一种使用316L不锈钢片代替激光晶体评估固体激光器表面对流换热系数的方法。在低冷却水温的条件下,使用快响应热电偶对替代片和出口水流的动态温度进行测量,应用有限元方法计算不同对流换热系数下替代片的动态温度,讨论了对流换热系数对重频大能量激光器热效应的影响。通过寻找测量值和计算值的最小方差,得到该冷却结构下的激光器表面对流换热系数为3 500 W·m^-2·K^-1。     

梯度掺杂Yb ∶YAG重频激光器热管理研究

为了改善重频激光器的热性能,本文采用了键合Yb ∶YAG晶体薄片作为激光增益介质,介质中掺杂粒子浓度呈梯度分布.文章计算了不同参数条件下介质抽运过程,得到介质内部的储能,温度和应力分布,并从中选出较为优化的介质参数.计算表明,采用梯度掺杂的方法,介质温度降低,形变和热应力减小,波前畸变改善.理论上证明了采用梯度掺杂的方法改善热管理的可行性. 关键词： 梯度掺杂 键合 Yb ∶YAG 热管理     

双脉冲序列激光放大实验研究

掺Yb~(3+)类高饱和通量增益介质的储能提取,会给激光器带来严重的安全风险,因此提出一种激光脉冲的时分复用放大技术。利用激光的偏振特性以及自由空间传输延迟,获得脉冲参数可变的脉冲序列,并进行验证实验。结果表明,时分复用放大与单脉冲放大的增益没有明显差别,且在约1.4 J/cm~2的工作通量下,子脉冲时间间隔(14~22 ns)对激光增益的影响可以忽略不计。时分复用放大在保持总激光通量不变的前提下,降低了子脉冲的激光通量,降低了光学元件的损伤风险,保证了储能的有效提取。     

利用非均匀泵浦提高二极管泵浦激光放大器储能均匀性

对于高增益二极管泵浦激光放大器,均匀泵浦时会产生储能分布的不均匀。模拟分析了非均匀分布泵浦光对储能分布的影响,计算结果表明:使用一定的非均匀分布泵浦能够获得均匀的储能分布,使用一定范围的非均匀分布泵浦对储能均匀性起到改善作用。模拟分析了重复频率工作条件下使用非均匀分布泵浦对温度分布的影响情况,计算结果表明介质中心处温度有所下降,介质边缘处温度没有变化。因此,减小了介质整体温度和温度梯度,有利于热管理。