LD双端泵浦Nd∶YAG方形晶体热容激光器温度场

对LD双端泵浦激光器的工作特点进行研究,以方形晶体为固体激光器的研究模型,并结合热容激光器的管理形式,将激光器工作阶段分为泵浦阶段和冷却阶段,并且建立相对应的热模型。根据热传导方程与边界条件进行求解,得到LD双端泵浦与冷却阶段的温度场表达式,并分析了不同的光斑半径、泵浦时间对晶体温度场的影响。计算结果表明:当泵浦功率为60 W、光斑半径为800 μm、超高斯阶次为3的激光二极管对晶体进行泵浦时,该晶体在泵浦端面获得的最大温升为201.30 ℃。该激光晶体的尺寸为20 mm×20 mm×10 mm,Nd∶YAG晶体对射入的泵浦光的吸收系数是910 m-1,掺钕离子为1.0%。研究结果对LD泵浦固体激光器的结构优化设计和实验研究提供了一定的理论指导意义。     

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。     

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。     

热容模式下LD阵列泵浦Nd:GGG圆盘的温度场分析

为了研究Nd:GGG激光晶体圆盘在热容运行模式下的温度场分布及变化问题,根据实际情况建立物理模型进行了分析.从热传导微分方程出发,通过格林函数法求得激光器工作、冷却阶段晶体内部温度场的解析解,在一定程度上可以反映温度场的变化情况.数值计算了矩形LD光斑尺寸3 cm,泵浦功率8100 W、脉冲频率500 Hz、脉冲宽度0.2 ms条件下泵浦4 s后圆盘的温度场以及变化曲线,得到4 s末的最大应力已经达到晶体断裂极限的47%.采用280 K、290 K的温度分别对圆盘进行背面冷却时,需要60～70 s左右的冷却时间;当采用280 K对圆盘进行背面和侧面同时冷却时,冷却时间缩短到30 s左右.     

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。     

激光二极管端泵Yb:YAG晶体的温度场及应力场

为了解决激光二极管端面泵浦Yb:YAG晶体引起的热效应问题,通过对晶体工作特点的分析,建立了周边冷却恒温、端面与空气存在热交换的有限元热模型。利用泊松方程,对Yb:YAG晶体的温度场、热应力场、热形变场和热透镜焦距进行了数值计算,并定量分析了激光二极管泵浦光的高斯阶次、光斑半径和泵浦功率对激光晶体温度场的影响。研究结果表明：若激光二极管泵浦功率为50 W,耦合到泵浦面的光斑半径为400μm时,晶体尺寸为3 mm×3 mm×4 mm、掺杂浓度为5.0 at.%的Yb:YAG晶体端面的最高温升为59.2 K,最大热形变量为0.645 67μm,晶体内稳定时最大应力为2.380×10⁸ N/m²,热透镜焦距为19.99 mm,该条件下激光器可正常运行。研究结果为全固态Yb:YAG激光器的设计提供了理论依据。     

矩形截面Nd:GGG热容激光器热分析

为了研究长方体型Nd:GGG热容激光晶体的热效应,通过对激光晶体工作特点的分析,采用半解析各向异性热分析方法,建立了符合实际工作状态热模型,对长方体型Nd:GGG热容激光晶体进行了热分析,得到了激光晶体抽运阶段和冷却阶段晶体内部温度场计算公式,定量分析了晶体宽度和厚度对温度场的影响。结果表明,当使用输出功率为8100W、脉冲频率500Hz、脉冲宽度0.2ms的LD抽运晶体4s时,抽运面中心最高温升为169.1℃;停止抽运120s时,晶体最高温升下降到0.97%。所得结果为热容激光器的优化设计提供了理论依据。     

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。     

LD泵浦Pr∶YLF固体激光器

研究了LD泵浦Pr∶YLF固体激光器。激光器采用LD端面泵浦结构,通过建立激光器热效应模型,对激光晶体内部温度场进行了解析计算,模拟分析了不同掺杂浓度Pr∶YLF晶体的光吸收以及温度场分布,对激光器泵浦耦合系统和输出镜的透射率等参数进行了优化设计,实现了LD泵浦Pr∶YLF固体激光器的高功率、高效率输出。当LD泵浦功率为2W时,获得了最大输出功率为287mW,光光转换效率达16.1,光束质量因子为M2X=1.38,M2Y=1.35的640nm激光。     

LD端面泵浦圆柱形Nd∶YAG晶体热效应研究

建立了圆柱形激光晶体的热传导模型.通过求解泊松方程,得到了在不同Nd离子掺杂浓度和不同泵浦光半径情况下激光晶体内的温度和温度场分布.研究结果表明,当其他条件不变时,随着Nd离子掺杂浓度的增加,Nd∶YAG晶体端面中心温度会升高,而晶体中心轴温度却会快速衰减.对于相同晶体,在泵浦功率一定时,随着泵浦光斑半径的减小,Nd∶YAG晶体端面中心温度会升高.如果采用低掺杂浓度的晶体作为增益介质,同时合理增加泵浦光斑半径,则可以有效抑制晶体的热效应.这一结论为提高激光器的稳定性、研究晶体的热效应提供了理论依据.     

LD端面泵浦圆柱形Nd：YAG晶体热效应研究

建立了圆柱形激光晶体的热传导模型。通过求解泊松方程,得到了在不同Nd离子掺杂浓度和不同泵浦光半径情况下激光晶体内的温度和温度场分布。研究结果表明,当其他条件不变时,随着Nd离子掺杂浓度的增加,Nd:YAG晶体端面中心温度会升高,而晶体中心轴温度却会快速衰减。对于相同晶体,在泵浦功率一定时,随着泵浦光斑半径的减小,Nd:YAG晶体端面中心温度会升高。如果采用低掺杂浓度的晶体作为增益介质,同时合理增加泵浦光斑半径,则可以有效抑制晶体的热效应。这一结论为提高激光器的稳定性、研究晶体的热效应提供了理论依据。     

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。     

脉冲激光二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷瞬态热效应研究

为减弱脉冲激光二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷激光器热效应影响,提高谐振腔稳定性以及改善激光器性能,文中利用热传导理论对脉冲激光二极管巴条侧泵激光陶瓷产生的温升及热形变场进行了解析研究。依据脉冲激光二极管巴条侧面泵浦激光陶瓷工作状态分析,建立契合实际的热分析模型,通过热传导Poisson方程求解,得到单脉冲侧泵激光陶瓷泵浦时段与泵浦间期两个阶段温度场与热形变场的一般解析表达式。定量地分析了脉冲二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷三维温场分布、重复脉冲泵浦过程中温度场分布,以及不同泵浦参数对温场的影响,定量分析了达到热动态平衡时泵浦面的热形变量。计算结果表明:当泵浦光功率为60 W,重复频率为100 Hz,束腰半径为150 μm,钕离子掺杂质量分数为1.0 %时,Nd:YAG陶瓷泵浦面产生29.6 ℃的温升,泵浦面与通光面产生0.95 μm和0.99 μm的热形变量。激光陶瓷温度场解析方法解决了使用数值分析法造成研究精确度不高的问题,该方法还可以应用到激光系统的其他热问题研究中,为减弱激光系统中的热问题提供了理论依据。     

Transient temperature filed of Nd∶YAG microchip end-pumped by quasi-CW diode laser

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.     

LD端面泵浦各向异性激光介质的热效应研究

针对各向异性激光介质的通光面为方形、泵浦光为高斯光束及泵浦尺寸小于通光面的情况，以Nd：YVO4为例，用MATLAB程序语言对激光二极管(LD)端面泵浦的各向异性激光介质的热传导方程进行数值计算，精确地求出了激光介质中各点的温度和温度分布，从而可以定量地分析出LD端面泵浦固体激光器的热效应，进而设计出高效高功率LD端面泵浦的TEM00Nd：YVO4固体激光器。LD尾纤输出功率为28．77W时，得到18．16W的1064nm激光输出。     

Nd∶GGG激光晶体热容工作下的热致效应与冷却特性数值模拟

基于对称双侧激光二极管(LD)抽运Nd∶GGG(掺钕钆镓石榴石)激光晶体板条,从热传导基本方程出发,以废热等效于内热源模型为前提,利用有限元分析软件ANSYS对Nd∶GGG板条在热容工作下的瞬态温度场及应力场进行了数值模拟,分析了在不同边界条件下温度和应力随时间和空间的变化特性及其热致变形。计算结果表明:在激光发射阶段,边界非绝热使得板条在垂直光轴方向产生温度梯度,由此产生的折射率梯度和应力梯度导致距离光轴最远的板条边缘和光轴处产生约0.2μm的变形量。同时模拟了冷却阶段空气对流冷却、水循环冷却及喷雾冷却条件下的温度变化过程,研究了适用于热容板条固体激光器工作的冷却手段。     

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。     

Nd:GGG激光晶体热容工作下的热致效应与冷却特性数值模拟

基于对称双侧激光二极管（LD）抽运Nd：GGG（掺钕钆镓石榴石）激光晶体板条，从热传导基本方程出发，以废热等效于内热源模型为前提，利用有限元分析软件ANSYS对Nd：GGG板条在热容工作下的瞬态温度场及应力场进行了数值模拟，分析了在不同边界条件下温度和应力随时间和空间的变化特性及其热致变形。计算结果表明：在激光发射阶段，边界非绝热使得板条在垂直光轴方向产生温度梯度，由此产生的折射率梯度和应力梯度导致距离光轴最远的板条边缘和光轴处产生约0．2μm的变形量。同时模拟了冷却阶段空气对流冷却、水循环冷却及喷雾冷却条件下的温度变化过程，研究了适用于热容板条固体激光器工作的冷却手段。     

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。     

固体热容激光工作物质瞬态温度和热应力分布

文章利用有限差分法,对激光二极管阵列泵浦的热容激光器片状Nd∶YAG和Nd∶GGG晶体进行了非稳态热传导下温度分布数值计算与对比分析;并计算了Nd∶YAG晶体热应力分布,对热容激光器的实验工作有一定的参考价值。