宽温区Yb∶YAG板条激光模块热畸变仿真研究

本文对不同冷却温度下的Yb∶YAG晶体板条激光模块高功率运转时的温度场、应力场及对应的热畸变进行了仿真分析研究。结果显示,随着冷却温度从300K降低至77K,板条的温度梯度热应力与应变都明显降低。当冷却温度为77 K时,最大主应力为414 MPa,仅为常温时的156,最大主应变为382×10-5,仅为常温时的6。为了分析Yb∶YAG晶体板条激光模块不同冷却温度下输出激光的光束质量,以确定其最佳运转温度,我们采用光线追迹的方法,对单程通过板条的1030nm探测光进行仿真。可以看到,当冷却温度为77 K时,远场光斑能量更为集中,且探测光光程差的PV值为07941μm,仅为300K时的596。模拟结果表明低温运转有利于Yb∶YAG晶体板条激光模块产生高功率高光束质量激光输出,这为高功率高光束质量Yb∶YAG晶体板条激光的设计工作奠定了基础。     

二极管泵浦Yb∶YAG准三能级1024 nm薄盘激光器

采用二极管泵浦Yb∶YAG晶体实现准三能级连续1024 nm薄盘激光器,1024 nm谱线是由Yb∶YAG晶体内的2F5/2-2F7/2能级跃迁实现的,实验中采用折叠腔结构。泵浦光16次通过Yb∶YAG晶体,当注入泵浦功率为17.9 W时,1024 nm激光输出功率为370 mW,通过采用I类临界位相匹配LiB3O5(LBO)晶体进行腔内二次谐波倍频,获得最大输出功率为45 mW的512 nm蓝-绿激光稳定输出,蓝-绿色激光30 min功率稳定度优于4.3%。     

Diode-pumped Yb∶YAG quasi-three level thin-disk laser with 1024 nm output

采用二极管泵浦Yb∶ YAG晶体实现准三能级连续1024 nm薄盘激光器,1024 nm谱线是由Yb∶YAG晶体内的2F5/2-2F7/2能级跃迁实现的,实验中采用折叠腔结构.泵浦光16次通过Yb∶ YAG晶体,当注入泵浦功率为17.9 W时,1024 nm激光输出功率为370 mW,通过采用Ⅰ类临界位相匹配LiB3O5 (LBO)晶体进行腔内二次谐波倍频,获得最大输出功率为45 mW的512 nm蓝-绿激光稳定输出,蓝-绿色激光30 min功率稳定度优于4.3％.     

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泵浦Yb∶YAG固体激光器研究进展

Yb3+离子掺杂YAG晶体(Yb∶YAG)作为一种性能优良的激光晶体已广泛应用于高效、 高功率激光领域,在光纤温度传感器、激光切割钻孔以及军用领域都具有重要的应用价值。本文分析了Yb∶YAG作为激光增益介质的优势,对近年来国内外激光二极管泵浦Yb∶YAG激光器的研究进展进行了总结,分别介绍了Yb∶YAG透明陶瓷激光器、掺镱光纤激光器,可调谐Yb∶YAG激光器、Yb∶YAG薄片激光器以及双波长Yb∶YAG激光器的最新研究情况,并对其发展前景进行了展望。     

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。     

Yb∶YAG板条高亮度均匀泵浦耦合技术研究

针对Yb∶YAG板条增益模块的特性,开展了高亮度均匀泵浦耦合系统的设计与实验研究。通过理论计算发现泵浦的功率密度与Yb∶YAG的激光提取效率有关。为提高泵浦亮度,采用空间/偏振复合拼接方式实现将4个LD进行合束。实验获得合束后激光二极管的总功率为25 kW,合束效率约为90 %。证明的该结构有效的解决目前Yb∶YAG板条激光晶体因泵浦功率低下而导致的功率和效率下降的问题。     

LDA端面泵浦声光调Q Yb∶YAG 1.03μm激光器

在国内首次报道了LDA端面泵浦1.03μm Yb∶YAG声光调Q激光器.由于Yb∶YAG晶体为准三能级结构,再吸收损耗大,振荡阈值高,因此采用大功率LDA进行端面泵浦,并采用半导体制冷器(TEC)进行有效温控和制冷.利用声光调制器主动调Q Yb∶YAG室温下实现了1.03μm脉冲激光输出.实验结果表明:在泵浦电流30A,重复频率20kHz时,获得最大平均功率670mW;在泵浦电流25A,重复频率1.22kHz时,获得最窄脉宽53.9ns;在泵浦电流30A,重复频率1.22kHz时,获得最大峰值功率5.74kW和最大单脉冲能量371μJ.     

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。     

LD泵浦的Yb∶ YAG激光器最新进展

简要介绍了Yb∶ YAG晶体的激光特性,重点介绍了LD泵浦的Yb∶ YAG激光器在几个国际著名的研究机构的最新进展,并展望了高功率Yb∶ YAG激光器发展趋势.     

重频Yb:YAG水冷放大器介质热分布测量与控制

为了控制端面泵浦Yb:YAG水冷激光放大器的热效应,对介质的温度分布进行了实验测量,测量了不同口径和厚度的晶体在不同的泵浦频率下的介质表面温度分布。对介质温度分布进行了理论分析,包括泵浦分布、ASE产热等因素对温度分布的影响,得到了影响介质横向温度梯度的关键因素。研究结果表明,泵浦光相对介质的位置对温度面分布有重要影响。提出了提高泵浦填充因子、利用包边吸收ASE光线的方法抑制横向温度梯度的初步设计方案。     

纵向抽运准三能级Yb:YAG激光器的理论模型及实验研究

在激光谐振腔中,边缘冷却的激光晶体中存在着温度梯度分布,从而使激光晶体等效为一个热透镜.热透镜效应对固体激光器的性能影响很大.由于热透镜效应,振荡光光斑半径会随抽运光功率及激光谐振腔腔型结构的变化而变化,这将影响输出光功率的大小.在考虑振荡光光斑半径随抽运光功率及谐振腔变化的情况下给出了速率方程的表达式,并采用数值方法求解.由理论分析可知,输出光功率与抽运光功率及谐振腔腔型结构有关.在相同的抽运功率下,腔型不同输出光功率不同.采用930 nm纵向抽运,发射光波长1030 nm的准三能级Yb∶YAG晶体在三种不同腔型结构下进行实验,实验结果表明腔型结构对激光输出功率影响很大.实验结果与模拟符合较好.     

激光二极管泵浦Yb:YAG激光器

通过对Yb:YAG晶体中Yb3 粒子的吸收谱的分析和讨论,认识到Yb:YAG晶体作为LD泵浦固体激光器的激活介质,有着其它晶体所没有的优点:能级结构简单.在此基础之上,设计了一套LD端面泵浦Yb:YAG激光器.在泵浦光强为25 W时,获得了6.09W的1030 nm稳定的连续激光输出,光光转换效率为24.3%,斜效率为31.6%.     

钛宝石激光泵浦Yb:YAG微片激光器获得1.053μm高效激光输出

实现了钛宝石泵浦Yb：YAG微片激光器的室温运转,Yb：YAG晶体中Yb3 的掺杂浓度分别为10at－％和20at－％,当20at％Yb：YAG晶体微片（6min×6mm×0．5mm）吸收的泵浦功率为784mW时,获得356mW1．053μm的CW激光输出,斜率效率高达69％,总的光-光效率为45％。     

LDA侧面泵浦固体激光器介质瞬态温升过程分析

根据二极管泵浦光强分布特性,考虑固体激光材料物性参数的温度相关性,建立了二极管侧面泵浦固体激光介质内热源分布的数值模型,从热传导方程入手,针对三角均布侧泵结构,采用有限元方法计算分析了激光棒内瞬态温升过程以及稳态温度分布情况.讨论了泵浦及冷却参数对瞬态温升过程及激光棒内温度梯度的影响.分析结果可为二极管泵浦固体激光器的优化设计提供参考.     

温度梯度法生长Nd∶YAG晶体的1200 W激光输出

用温度梯度法(TGT)生长了大尺寸的Nd∶YAG激光晶体,测试了室温下的吸收谱并利用吸收谱研究了Nd离子在YAG晶体中的分布。比较了温度梯度法与提拉法生长晶体的区别。根据热容激光的原理,利用生长的Nd∶YAG激光晶体片设计了热容激光器,利用侧面抽运,获得了1200 W的激光输出,工作时间为2 s,光-光转换效率为30%。     

Yb∶YAG陶瓷强化Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器性能研究

报道了通过键合Yb∶YAG激光陶瓷来强化Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器激光性能的研究结果。实现了Yb∶YAG/Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器的激光输出。当吸收抽运功率为7.1W时获得了0.53W的自调Q激光输出,对应的光-光转换效率为7.5%。在实验中获得了脉冲能量大于25μJ、脉冲宽度小于3ns、峰值功率高达9kW的自调Q激光脉冲输出。同时研究了输出耦合镜透射率对Yb∶YAG/Cr,Yb∶YAG自调Q微片激光器激光性能的影响。     

LD端面抽运Yb3+∶YAG激光器输出功率的理论分析

从准三能级速率方程出发, 模拟分析了940 nm LD端面抽运Yb3+∶YAG输出1030 nm激光的性能。着重考虑了抽运光的吸收饱和以及Yb3+的自吸收损耗。结果表明, 由于输出波长在1030 nm附近的Yb3+∶YAG晶体存在严重的自吸收损耗, 入射功率必须足够强才能有激光输出, 因此激光器的阈值较高; 同时, 自吸收损耗与Yb3+离子浓度、晶体厚度有关, 存在最佳的晶体厚度和Yb3+离子浓度, 使激光器的输出功率最大。抽运光的吸收饱和使激光器运转时激光下能级的粒子数减小, 吸收系数下降, 激光器的输出功率较低。     

用Cr∶YAG被动调Q的Yb∶YAG激光

用连续钛宝石激光器作抽运源 ,在室温下用Cr4 +∶YAG作可饱和吸收体实现了Yb∶YAG晶体的被动调Q激光输出。实验中获得了在 1 0 3μm平均功率为 5 5mW和脉宽 (FWHM )为 0 35 μs的被动调 Q激光。Cr∶YAG的初始透过率对Yb∶YAG被动调 Q 激光的脉宽 (FWHM )和重复率有一定影响。实验表明Yb∶YAG晶体是一种有前景的结构紧凑、高效和全固化的被动调Q激光晶体。     

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。