激光二极管列阵抽运Nd:YAG/LBO大功率蓝光激光器

报道了激光二极管列阵(LDA)端面抽运全固体腔内倍频大功率蓝光激光技术的研究。采用复合Nd：YAG晶体作为增益介质，并利用半导体致冷器(TEC)对激光晶体的温度进行精密控制。倍频晶体采用Ⅰ类临界相位匹配方式切割的LBO晶体。谐振腔为Ⅴ型结构。根据大功率抽运条件下激光晶体热透镜效应严重，且热透镜的焦距会随着抽运功率的增大逐渐变短的特点，计算出最大抽运功率条件下激光晶体的热透镜焦距，依据此数据来优化谐振腔结构，使激光器实现最佳模式匹配和倍频效率，得到高效蓝光激光输出。在可吸收抽运功率为18．5W时，473nm蓝光激光输出功率为1．38w，抽运光-倍频光的光-转换效率为7．5％。     

抽运光分布对圆截面激光晶体热变形的影响

为了简化激光晶体中热变形量的求解过程,分析抽运光分布对激光晶体热变形的影响,采用圆截面激光晶体热变形量的简便计算方法,并取抽运光束为超高斯光束,通过理论推导和数值计算,研究了抽运光强度分布对圆截面激光晶体热变形的影响。结果表明,晶体端面热变形量与半径为3次多项式关系,当抽运光阶次大于2时,随着阶次的增大,晶体端面的热变形量逐步减小。这一结果对全固态激光器的设计有一定帮助。     

二极管泵浦固体激光器热透镜焦距的数值模拟

理论分析了轴对称时,以泵浦光为标准高斯光束,在散热均匀情况下,激光晶体中的三维温度场分布,计算了热透镜焦距。利用Ansys数值,模拟了不同泵浦功率及不同泵浦光半径下,激光晶体中的三维温度场分布,并利用Matlab处理了温度数据,数值计算了热透镜对平行入射晶体端面的平面波产生相位畸变,描绘出热透镜焦距随半径的变化曲线。数值分析得出,热透镜焦距随径向发生变化,出射光波为非球面波,热透镜等效凹面镜不能用单一曲率半径描述,为非球面镜,并研究了泵浦功率和泵浦光半径对热透镜焦距的影响。     

激光二极管端面抽运激光晶体的热效应

建立了激光晶体的热传导模型,通过求解泊松方程,得到激光晶体内温度和温度场分布,计算了由端面形变引起的光程差(OPD)和总的光程差,得到不同抽运功率下的热焦距,并通过实验进行了验证,实验结果与理论计算基本一致。当抽运功率为10 W,抽运光斑半径320μm时,Nd∶YVO4激光晶体端面形变引起的光程差占总的光程差的45%。抽运功率为24 W时,晶体热焦距为65.8 mm。提出激光晶体端面腔镜会加重激光晶体热透镜效应的结论。研究表明,对于大功率全固态激光器,由晶体端面形变引起的光程差对晶体热透镜效应有较大影响。对提高激光器的稳定性、研究晶体的热效应提供了理论依据。     

脉冲激光二极管端面抽运全固态激光器热效应瞬态过程

从圆柱状晶体热传导方程出发,采用有限元方法,对脉冲激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的瞬态温度场分布进行了计算.对单脉冲过程中,晶体升温和降温时端面温度的分布情况进行了计算;分析了束腰位置和束腰半径对单脉冲过程的影响,以及晶体热弛豫时间的影响因素;根据光线追迹理论,分析了激光晶体内温度分布达到动态平衡后,由温度梯度引起的中心与边缘相对光程差时变特性.结果表明,当束腰位于晶体抽运端面时,增大束腰半径晶体端面温度降低;当不改变束腰半径并且后移束腰位置时,晶体端面温度降低;增大冷却液对流换热系数或者空气流速、降低空气温度以及减小晶体半径都可不同程度地缩短热弛豫时间;当晶体温度分布达到动态平衡后,晶体内各点温度呈周期性变化;由晶体径向温度梯度引起的相对光程差(OPD)也随时间作周期性变化.     

计算"Top-hat"端面抽运晶体热透镜焦距的改进方法

在激光二极管(LD)端面抽运的固体激光器中,热效应是设计中必须考虑的重要参量之一。研究激光工作物质内热效应的最方便的方法是等效热透镜(TL)法。前人给出的公式算出的热透镜焦距比实验值小。针对“Top-hat”抽运光,在找出了导致计算值与实验值差距的原因后,给出了能够得出更为精确热透镜焦距值的改进方法,并进行了数值计算,根据计算结果给出了拟合方程。研究结果显示,热透镜焦距不仅仅是抽运功率的函数,还是激光半径与抽运光半径比的函数,并且在激光和抽运光半径大致相当的时候,热透镜焦距大约是原来公式计算值的1.6倍。在相同的抽运条件下,热效应造成的衍射损耗同用原来热透镜焦距计算的结果相比要小很多,同样和激光半径、抽运光半径有关。实验证明新理论比旧理论更接近实验结果。     

激光二极管端面抽运Nd:GdYVO4晶体热效应分析及倍频研究

通过求解泊松热传导方程,得出了端面抽运下矩形截面Nd:GdYVO_4激光晶体内部温度场分布以及Nd: GdYVO_4激光晶体抽运端面达到热平衡后的热形变量。当抽运功率为12 W,抽运光斑半径w_p=320μm时,Nd: GdYVO_4激光晶体的热形变量为0．855μm。根据Nd:GdYVO_4晶体内部温度场分布和晶体抽运端面达到热平衡后的热形变量,进而计算出晶体热焦距随抽运功率的变化。通过ABCD矩阵进行了腔参数优化,选取了更有效压缩KTP上基模光斑半径的V腔进行腔内倍频实验。在抽运功率为6．71 W时Nd:GdYVO_4获得了1．73 W稳定倍频绿光输出,光-光转换效率达到25．8％,绿光非稳度为1．13％。     

热透镜球差效应对基模光束质量影响的研究

研究了激光晶体热透镜的球差效应对谐振腔的输出光束质量、腔内损耗和输出功率等特性的影响。通过对二极管端面抽运条件下激光晶体的热效应进行分析,计算了热透镜球差系数的大小,得到了激光晶体热透镜球差系数与抽运光功率和振荡激光半径间的函数关系。实验验证了球差效应对激光谐振腔中基模光束质量的影响,与理论分析符合得很好。     

高功率激光二极管端面抽运复合晶体激光器的研究

在高功率激光二极管抽运固体激光器中,热效应已成为获得高输出功率和高光束质量的最大阻碍因素.用有限元方法研究了高功率激光二极管端面抽运Nd∶YVO4激光器中热透镜分布规律,提出了用复合晶体消除热透镜效应的方法.研究表明在端面抽运的传统单一Nd∶YVO4晶体激光器中,由于抽运功率密度很高,热透镜效应非常严重,由端面变形而造成的热透镜效应约占整个热透镜效应的50%;而采用复合晶体能够很好地消除由端面变形而造成的热透镜效应,同时得到很好的冷却效果,获得比采用传统单一晶体高出许多的基模输出功率和更好的光束质量.实验证明,采用复合结构晶体在23 W的抽运功率水平下得到了11 W的基模输出功率,光束质量因子M2 <1 5,光光转换效率达到48%.     

激光二极管叠阵单侧抽运Nd:YAG陶瓷聚光腔的聚光特性

针对固体激光增益模块紧凑化、简单化的设计需求,建立了激光二极管(LD)叠阵单侧抽运Nd:YAG晶体棒的模型,并利用TracePro软件对陶瓷聚光腔内Nd:YAG晶体棒抽运光的吸收情况进行了数值模拟。分析了聚光腔形状、晶体棒半径和Nd3+掺杂浓度及其他影响因素对聚光效率和增益分布均匀性的影响。研究表明,聚光效率随聚光腔横截面积近似呈线性变化,Nd~(3+)掺杂原子数分数为0.5%、半径为2mm的Nd:YAG晶体棒可以实现光斑半径约为1.0mm的近基模振荡输出;晶体棒均匀抽运区域半径与U型聚光腔半径的比值约为0.5时,抽运光吸收较为均匀。LD叠阵单侧抽运Nd:YAG晶体的抽运结构可以获得65%的聚光效率,增益分布均匀性优于0.65。     

LD端面泵浦变热传导系数Nd:YAG晶棒温场特性

为了解决激光二极管泵浦激光晶体产生的热效应问题,对激光晶体内的温升进行了解析分析与定量计算。通过对激光二极管端面泵浦激光晶体工作特点的分析,建立了符合实际工作情况的热模型。考虑到晶体材料热传导系数受其宏观温度变化的影响,应用常数变易法以及特征函数法得到了变热传导系数Nd:YAG晶体棒在端面泵浦情况下温度场的一般表达式。定量计算了激光二极管超高斯分布泵浦光阶次、泵浦功率、光斑尺寸以及晶棒半径对其温度场分布的影响。研究结果表明:使用输出功率为60 W的激光二极管端面泵浦掺钕离子质量分数1.0%的Nd:YAG晶棒,若耦合入射的3阶超高斯光束泵浦光斑半径为400μm,晶棒半径为1.5 mm,长度为8 mm时,Nd:YAG棒内最大温升为343.9℃;而将其热导率视为定值时,晶体的最大温升只有222.7℃。研究结果为正确计算Nd:YAG晶体温度场分布提供了方法,并为提高全固态Nd:YAG激光器性能提供了理论依据。     

激光二极管阵列侧面抽运棒状激光器轴向热效应分析

对激光二极管阵列侧面抽运棒状激光晶体热效应进行了理论分析和数值模拟.采用有限元方法模拟了棒状激光晶体内部三维温度场分布和热应力分布,得出激光晶体内抽运光强和温度随抽运距离的变化规律,并得出了激光晶体轴向温度分布是不均匀的,而是与激光二极管阵列的占空比有关.为减小激光系统的热效应提供了理论依据.     

脉冲LD 端面泵浦Nd:YAG 晶体温场研究

为解决脉冲激光二极管端面泵浦Nd:YAG晶体产生瞬态热效应的问题,对激光晶体内的温场分布进行了解析分析与定量计算。通过对脉冲激光二极管端面泵浦激光晶体工作特点分析,建立了端面绝热、周边恒温的晶体热模型,考虑到Nd:YAG晶体导热系数与其温度的函数关系,引入弦截法求解含时热传导方程,得出了变热传导系数方形Nd:YAG晶体时变温度场的一般解析表达式。定量分析了变热传导系数方形Nd:YAG晶体在不同超高斯阶次和光斑半径下内部温度场时变情况。计算结果表明:使用平均输出功率为60 W 的脉冲激光二极管端面泵浦掺钕离子质量分数1.0%的Nd:YAG 晶体,若入射的3阶超高斯光束泵浦光光斑半径为400 m,则晶体尺寸为4 mm4 mm8 mm的Nd:YAG晶体在达到准热平衡状态时的最高和最低温升分别为364 K和337 K。研究结果为正确计算Nd:YAG晶体温度场分布提供了方法,并对解决激光晶体热效应问题提供了理论依据。     

激光二极管端面抽运圆形截面Nd∶GdVO_4晶体的热形变

以解析分析理论为基础,研究圆截面Nd∶GdVO4激光晶体受到具有高斯分布半导体激光端面中心入射时,晶体温度场分布和抽运面热形变分布情况。通过对激光二极管(LD)端面入射晶体工作特点分析,建立了符合实际工作情况的热模型,利用热传导方程新求解方法,得出了圆形截面Nd∶GdVO4晶体温度场分布和端面热形变场通解表达式,对比分析了圆形截面和矩形截面Nd∶GdVO4晶体的热形变。研究结果表明,当使用输出功率为15 W激光二极管端面中心入射Nd∶GdVO4激光晶体时,在抽运端面中心获得187.5℃最高温升和1.313μm最大热形变量。两种截面晶体具有相同的热形变形状,当截面尺寸不太大时,如果圆形截面晶体的半径等于矩形截面晶体半边长,最大热形变量将减少4.1%。这种方法还可以应用到其他圆形截面晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据。     

LD端面抽运变导热系数Nd:YAG晶体热效应

为了计算二极管抽运Nd:YAG晶体温度场及热形变场,建立了端面绝热、周边恒温的晶体热模型。基于Nd:YAG晶体导热系数及热形变系数与其温度的函数关系,应用Newton切线法对热传导方程进行求解,得到了变导热系数和变热形变系数矩形截面Nd:YAG晶体端面抽运下的温度场和热形变场的一般表达式,同时计算了Nd:YAG晶体在不同抽运功率和抽运光斑半径下内部温度场和热形变场的分布变化。结果表明,使用钕离子质量分数为0.01、尺寸为3mm×3mm×8mm的Nd:YAG晶体,在功率为60W、光斑半径为450μm的抽运光照射下,变导热系数的Nd:YAG晶体端面最大温升为55.7℃,最大热形变量为2.85μm,而按传统将Nd:YAG晶体导热系数、热形变系数均视为定值时,晶体端面最大温升为43.4℃,端面最大热形变为2.84μm。     

LD变半径抽运Nd∶GdVO_4晶体棒热效应

为了研究LD抽运晶体在实际谐振腔中,LD变化半径在晶体中产生的热效应,采用了理论上与理想模型下所求解的结果相比较的方法,得到了当输出功率为15W时,抽运端面中心获得199.545℃最高温升和1.33μm最大热形变量、实验值与理论值基本一致的结果.结果表明,这种新的研究方法可以更准确地应用到其它激光晶体热问题的研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

准连续激光二极管端面泵浦Nd∶YAG薄片瞬态温度场

准连续激光二极管(LD)泵浦的激光晶体中存在着温度升降的变化过程。为解决准连续LD端面泵浦Nd∶YAG薄片时变热效应问题,基于热传导方程,采用特征函数法和常数变异法得到了准连续超高斯光束端面泵浦Nd∶YAG薄片的瞬态温度场一般解析表达式。定量分析了准连续泵浦光脉宽和占空比对Nd∶YAG薄片瞬态温度场的影响。研究结果表明,准连续LD端面泵浦Nd∶YAG薄片时,薄片内温度场随时间呈波浪状分布,再经过一段时间后呈现出稳定周期性分布,此时的瞬态温度场围绕连续LD泵浦时稳态温度波动,波动幅度为12.1℃,薄片的瞬态温升量将随准连续LD泵浦脉宽与占空比的增大而升高。研究方法和所得结果还可以应用到激光系统的其他瞬态热问题研究中,对解决激光系统热问题具有理论指导作用。     

端面抽运Nd:YAG圆棒热容激光晶体热分析

为了准确研究LD端面抽运圆棒热容激光晶体Nd:YAG时产生的热效应,采用以半解析热分析理论为基础、结合弹性力学理论的研究方法,得出了圆棒热容激光晶体抽运阶段和冷却阶段的温度场、热应力场和端面形变量半解析计算方法。结果表明,当抽运总功率为200W,4阶超高斯LD对Nd:YAG抽运2s时,Nd:YAG圆棒热容激光晶体的端面最大应力为52.9MPa,低于晶体断裂阈值下线的50%;此时激光晶体端面形变为3.05μm。所得结果为优化热容激光器提供了理论支持。