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.     

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。     

掺杂YAG和GGG激光晶体热导率研究

为了研究不同掺杂YAG和GGG激光晶体的导热特性,采用瞬态脉冲法测量了273K~393K温度范围内自己生长的不同掺杂YAG和GGG激光晶体的热导率,并建立了实验样品温度场模型,推导出热导率对温度的函数关系,得到晶体热导率随温度变化曲线,这与实验测量结果基本相符。实验结果表明,晶体热导率随温度升高呈下降趋势,YAG激光晶体经Yb离子掺杂后热导率值降低,GGG晶体热导率随掺杂Nd离子浓度的增加而降低,并从理论上对实验结果进行了解释。     

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。     

Transient temperature field of Nd:GdVO4 crystal end-pumped by diode

为解决脉冲激光二极管端面泵浦激光晶体瞬态热效应问题,构建了激光二极管端面泵浦激光晶体热模型,运用解析分析法研究了Nd:GdVO4晶体的瞬态温场分布.考虑到Nd:GdVO4晶体具有热传导各向异性的特点,采用了各向异性热传导方程,得到了超高斯激光脉冲端面泵浦Nd:GdVO4晶体准热平衡态时激光晶体温度场的一般解析表达式.同时对脉冲激光的超高斯阶次、高斯半径、泵浦功率以及脉宽对Nd:GdVO4晶体瞬态温场的影响进行了定量分析与计算.研究结果表明:若使用泵浦功率为40W,脉冲频率为100 Hz,脉宽为80 ms的2阶超高斯分布脉冲激光泵浦Nd:GdVO4(钕离子掺杂质量分数为1.2％)晶体,达到准热平衡状态时温度在28.8～38.1℃之间成锯齿形周期分布,随着温度场周斯性分布,晶体表面的热形变量也在0.065 μm和0.092 μm做周期性变化.该结果对热焦距变化范围以及对热不敏谐振腔设计具有理论指导意义.     

LD单端泵浦变热导率Nd∶YAG圆棒热容激光器温度场

针对圆棒激光晶体的实际工作情况进行分析研究,以热容激光器的运行模式为依据,从经典热传导方程出发,分别建立泵浦阶段、冷却阶段的热传导模型。然后引入变热传导系数对方程进行求解,分别得到LD单端泵浦和冷却时热容激光器温度场的表达式。同时分析并对比了不同因素,如光斑半径、泵浦时间对晶体温度场的影响。计算结果表明:使用脉冲激光对晶体进行泵浦时,将Nd∶YAG晶体的热导率视为常量和变量的情况下,该晶体在泵浦端面获得的最大温升分别为164.84 ℃、195.58 ℃。此时激光光斑半径为800 μm,泵浦功率为60 W、超高斯阶次为3;该激光晶体的尺寸为Ф20 mm×10 mm,掺钕离子为1.0 at%,吸收系数是0.91 mm-1。计算分析结果对LD泵浦固体热容激光器谐振腔的设计具有借鉴意义。     

Nd~(3+)掺杂浓度对无水冷Nd:YAG激光器输出特性的影响

采用理论分析与计算机模拟相结合的方法,研究了钕离子掺杂浓度对LD泵浦的无水冷Nd:YAG激光器的荧光分布、激光建立时间、输出激光的能量及脉宽等激光输出特性的影响。搭建了双半环形LDA侧面泵浦的低频无水冷电光调Q Nd:YAG激光器实验平台,对Nd3+掺杂浓度为1%、0.8%、0.6%的激光晶体分别进行实验测试,给出了LD泵浦的无水冷Nd:YAG激光器的Nd3+掺杂浓度与激光建立时间、激光输出能量、脉宽等参量的定量关系曲线,实验结果与理论分析结果基本相符。     

二极管端面泵浦Nd∶GdVO4晶体瞬态温场分析

为解决脉冲激光二极管端面泵浦激光晶体瞬态热效应问题,构建了激光二极管端面泵浦激光晶体热模型,运用解析分析法研究了Nd∶GdVO4晶体的瞬态温场分布。考虑到Nd∶Gd-VO4晶体具有热传导各向异性的特点,采用了各向异性热传导方程,得到了超高斯激光脉冲端面泵浦Nd∶GdVO4晶体准热平衡态时激光晶体温度场的一般解析表达式。同时对脉冲激光的超高斯阶次、高斯半径、泵浦功率以及脉宽对Nd∶GdVO4晶体瞬态温场的影响进行了定量分析与计算。研究结果表明:若使用泵浦功率为40 W,脉冲频率为100 Hz,脉宽为80 ms的2阶超高斯分布脉冲激光泵浦Nd∶GdVO4(钕离子掺杂质量分数为1.2%)晶体,达到准热平衡状态时温度在28.8～38.1℃之间成锯齿形周期分布,随着温度场周斯性分布,晶体表面的热形变量也在0.065μm和0.092μm做周期性变化。该结果对热焦距变化范围以及对热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。     

Thermal conductivity of doped YAG and GGG laser crystal

To study the thermal conduction characteristics of different doped YAG and GGG laser crystals, the thermal conductivity of different doped YAG and GGG laser crystals generated at 273-393 K were measured by making use of instantaneous measurement method. The temperature field model of the experimental sample was established and the function of thermal conductivity to temperature was educed. The obtained conductivity to temperature curves almost conformed to the experimental results. The experimental results show that the thermal conductivity of the laser crystal decline with temperature,the thermal conductivity of YAG laser crystal declines when adding Yb ions, and the thermal conductivity of the GGG laser crystal declines with the rising of the doped Nd ions concentration. Finally, the experimental results were theoretically explained.     

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.     

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。     

复合Nd∶YAG晶体固体激光器热效应研究

通过使用Comsol有限元仿真软件中的热传导模块,对以下四种晶体在端面泵浦工作情况下晶体内部温度分布进行了模拟分析。其中包含:(1)3 mm×3 mm×10 mm均匀掺杂Nd∶YAG晶体;(2)两个端面分别键合3 mm长YAG晶体的3 mm×3 mm×10 mm Nd∶YAG复合晶体;(3)侧面键合厚度1 mm的YAG晶体5 mm×5 mm×10 mm复合Nd∶YAG晶体;(4)四个侧面分别键合厚度1 mm的YAG晶体,两个端面分别键合3 mm长的YAG晶体的5 mm×5 mm×10 mm Nd∶YAG晶体。在泵浦功率为30 W时,四种晶体的最高工作温度分别为153℃,114℃,157℃,115℃。结果表明,与侧面键合结构相比,端面键合是降低激光晶体的工作温度,减小热效应的有效方法。为研究侧面键合结构的适用条件,论文降低了晶体侧面的导热系数,模拟了在同样的泵浦功率条件下四种晶体的最高温度,分别为212.014℃,149.158℃,186.741℃和134.410℃。模拟结果表明在侧面散热条件比较差的条件下,侧面与端面双重键合是降低激光晶体热效应的最佳选择。在实验方面,采用LDA作为泵浦源,在泵浦功率为18 W时,得到侧面与端面双重键合的Nd∶YAG的输出功率最高,为12.1 W,转换效率为67.2%,实验结果与理论模拟结果相符合。     

Nd:Lu3Al5O12晶体光谱与激光性能研究

采用提拉法生长Nd掺杂原子数分数为1%的高质量的Nd:Lu3Al5O12(Nd:LuAG)晶体。对晶体的光谱性能进行了表征。研究发现,Nd:LuAG晶体与相同掺杂浓度的Nd:YAG晶体均具有相似的峰形和峰位,但特征吸收峰和荧光峰均发生了1nm的红移现象。Nd:LuAG晶体具有比Nd:YAG和Nd:GGG晶体更长的荧光寿命和更宽的吸收线宽。在抽运功率为900mW的钛宝石激光器抽运下,Nd:LuAG晶体获得了420mW的连续激光输出,斜率效率为47.5%,激光抽运阈值为22mW。     

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...     

Study on the composite Nd：YAG crystal by laser micro- Raman spectroscopy

The composite Nd:YAG crystal with undoped YAG end caps was fabricated by thermal bonding technique. Scanning electron microscopy (SEM) result shows that the width of the bonded interface was about 0.5 μm. The laser micro-Raman was used to study the bonded interface of the composite crystal. The results of Raman spectra and the bonded interface image indicate that the undoped YAG and Nd:YAG crystals have been well bonded together. Furthermore, it can be drawn that the structure and the composition of the bonded interface are the same as the undoped YAG crystal, and that the Nd3 ions do not enter the bonded interface and the YAG side. This property is advantageous to decrease the thermal effect of the boned interface and to improve the laser stability.     

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。