高功率Yb:YAG微片激光器热效应研究

为了研究抽运光在Yb:YAG晶体内产生的非均匀性温升以及引起的热效应问题,以半解析热分析理论为基础,结合超高斯光束端面抽运、背向冷却Yb:YAG微片工作特点分析,采用热传导方程一种新的求解方法,得出了Yb:YAG微片内部温度场、热形变场、附加光程差的半解析计算表达式。并定量分析了超高斯光束不同阶次、不同光斑尺寸抽运时对于Yb:YAG微片温度场、热形变场的影响。结果表明,若使用50W、光斑半径300μm的5阶超高斯光束端面抽运掺镱离子原子数分数为0.08的Yb:YAG微片,抽运面上可获得52.18℃最高温升量,产生0.1195μm最大热形变,引起0.2152μm的附加光程差。该研究结果对于微片激光器热不敏谐振腔最优化设计具有理论指导作用。     

背冷式方形Nd:GdYO4微片激光器的热效应

以半解析热分析理论为基础,研究了超高斯分布激光二极管(LD)端面抽运背冷式方形Nd:GdVO4微片晶体的热效应.通过对激光晶体工作特点的分析,建证热模型,利用新的热传导方程求解方法,得出了背冷式方形Nd:GdVO4微片晶体内部温度场、热形变场的半解析计算表达式.研究结果表明,当使用输出功牢为700 W的LD(超高斯阶次为4)端面中心入射背冷方形Nd:GdVO4晶体(晶体掺钕原子数分数为1.2%)时,在抽运端面中心获得69.6℃最高温升和74.1 nm最大热形变量,与实验结果一致.得出的方法可以应用到其他激光晶体热问题研究中.     

脉冲半导体激光器端面抽运Nd:YAG晶体瞬态热分析

为了研究脉冲半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应,对激光晶体瞬态温度场以及热形变场进行解析分析与计算。考虑到脉冲LD出射光具有超高斯分布,且Nd:YAG晶体热传导各向同性的特点,利用热传导Poission方程得到了超高斯分布脉冲LD端面抽运Nd:YAG晶体瞬态温度场以及热形变场的一般解析表达式,定量分析了单脉冲抽运过程中超高斯抽运光光斑半径及超高斯阶次、脉冲宽度对Nd:YAG晶体瞬态温场的影响以及准热平衡状态温度场的时变特性。结果表明,当脉冲LD端面抽运光具有3阶超高斯分布、抽运功率为80W、脉冲频率为100Hz、脉宽为200 s、钕离子掺杂质量分数为0.01的Nd:YAG晶体瞬态温度场随抽运脉冲呈现出周期性分布,准热平衡状态的温度在25.5℃到29.2℃之间成锯齿形周期分布;晶体抽运面的热形变量在0.13m和0.19m之间也呈现出周期性变化。该研究对于脉冲LD端面抽运全固态激光器热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。     

圆棒Nd:glass热容激光器的热过程半解析分析

建立了基于Nd:glass热容激光器的热传导模型,利用半解析热分析理论,对于给定的边界条件和初始条件,分别求解出泵浦阶段和冷却阶段时圆棒Nd:glass晶体的Poisson方程的解,得出圆棒Nd:glass晶体的温度场、形变场以及由端面热形变引起的热焦距、附加光程差的计算公式。研究结果表明:当泵浦总功率为2kW,4阶超高斯分布LD对Nd:glass晶体泵浦4s时,获得泵浦阶段圆棒Nd:glass晶体最高温升67.10℃,最大形变量为35.45μm,中心处附加光程差为5.677μm。冷却阶段圆棒Nd:glass晶体冷却800 s后中心最大热形变量为0.943μm。为优化热容激光器提供了理论依据。     

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。     

端面抽运Nd:YVO4,Nd:GdVO4及Nd:GdYVO4晶体的热效应比较

为了改善激光晶体热效应,建立了矩形截面激光晶体热模型,通过求解热传导泊松方程,比较了矩形截面Nd:YVO4和Nd:GdVO4及Nd:GdYVO4晶体的温度场分布和抽运端面的热形变,计算了由抽运端面热形变引起的光程差和总的光程差。由比较结果可知,在相同情况下,Nd:YVO4,Nd:GdYVO4及Nd:GdVO4晶体的端面中心最高温升分别约为320℃,342℃和190℃,总光程差最大为1.7μm,2.11μm和1.3μm。结果表明,Nd:GdYVO4晶体端面中心最高温升及总光程差均为最小,更适用于大功率LD端面抽运;对于大功率全固态激光器,由端面热形变引起的光程差对晶体热焦距有较大影响。     

光纤耦合LD端面抽运Nd:GdVO4晶体材料热效应分析

为了研究半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应问题,采用解析分析的方法研究端面抽运激光晶体的温升以及热形变量的大小.通过激光晶体工作特点分析,考虑到Nd:GdVO_4晶体热传导各向异性的特点,采用各向异性传热的Poisson方程,得出了超高斯光束端面抽运Nd:GdVO_4晶体温度场以及热形变场的一般解析表达式.并定量分析了超高斯光束不同阶次、不同光斑尺寸抽运时对于Nd:GdVO_4晶体温度场以及热形变场的影响.结果表明,若半导体激光器的输出功率为30W,光学聚焦耦合器传输效率为85%,5阶超高斯光束沿中心端面抽运掺钕离子原子数分数为0.012的Nd:GdVO_4晶体,抽运面可获得419.3℃的最大温升,并产生0.711μm的热形变.该结果对估算Nd:GdVO_4晶体热焦距变化范围以及进行热不敏谐振腔设计具有理论指导作用.     

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。     

光纤耦合LD端面抽运Nd:GdVO4晶体材料热效应分析

为了研究半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应问题,采用解析分析的方法研究端面抽运激光晶体的温升以及热形变量的大小.通过激光晶体工作特点分析,考虑到Nd:GdVO4晶体热传导各向异性的特点,采用各向异性传热的Poisson方程,得出了超高斯光束端面抽运Nd:GdVO4晶体温度场以及热形变场的一般解析表达式.并定量分析了超高斯光束不同阶次、不同光斑尺寸抽运时对于Nd:GdVO4晶体温度场以及热形变场的影响.结果表明,若半导体激光器的输出功率为30W,光学聚焦耦合器传输效率为8%,阶超高斯光束沿中心端面抽运掺钕离子原子数分数为0.012的Nd:GdVO4晶体,抽运面可获得419.3℃的最大温升,并产生0.711m的热形变.该结果对估算Nd:GdVO4晶体热焦距变化范围以及进行热不敏谐振腔设计具有理论指导作用.     

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.     

Influence of heat transfer on thermal effects of the endpumped laser crystal

A thermal model of crystal is established. The temperature field differential equation of the diode-end-pumped laser crystal with circular cross-section and new boundary conditions, in which the convection heat transfer is supposed to exist between laser crystal ends and air, is established. The analytical expressions of temperature field, thermal distortion and additional optical path difference (OPD) of crystal are obtained. By numerical calculation, the influence of heat transfer on the thermal effects of laser crystal Nd:YAG is studied. Results show that crystal’s thermal effects, including temperature field, thermal distortion, OPD and thermal focal length, are all weakened as the heat transfer through ends of crystal is strengthened. This conclusion could be used to control thermal effects of laser crystal and improve laser working stability.     

激光二极管侧抽运长方形Nd:YVO4激光晶体热分析

以解析分析理论为基础,研究长方形Nd∶YVO4激光晶体受到具有高斯分布半导体激光侧端面抽运时,晶体温度场和热形变的分布情况。通过对激光二极管(LD)侧面抽运晶体工作特点分析,建立了符合实际工作情况的热模型,利用正交各向异性材料热传导方程,得出长方形Nd∶YVO4晶体温度场和热形变场通解表达式,并提出了两种有效减小晶体热形变的方法。研究结果表明,当使用输出功率为30 W的激光二极管侧面中心抽运Nd∶YVO4激光晶体时,在抽运端面中心获得240.0℃最高温升和4.73μm最大热形变量。偏心0.6 mm时,端面最大热形变量减少31.1%。晶体厚度减小30%时,端面最大热形变量减少23.5%。     

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双面侧抽运Nd∶GGG热容激光晶体热分析

为了研究矩形晶体Nd∶GGG受到具有高斯分布激光双侧错位抽运时,激光晶体内部温度场和热形变分布情况,采用以各向异性半解析热分析为基础的方法进行了研究.当用输出功率分别都为300W从Nd∶GGG晶体两侧面错位中心抽运时,高斯半径为9.00mm,最高温度出现在前抽运面,晶体内最大温度为309.73℃;分析了激光晶体工作的特...     

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。