LD端面抽运激光介质热效应的有限元分析

针对激光介质的通光面为方形、抽运光为高斯光束的情况,以Nd:YAG激光介质为例,用ANSYS有限元软件模拟了激光介质的热效应,精确地给出了激光介质中各点的温度和温度分布。分别对提高介质侧面对流换热系数、降低冷却液温度、抽运端面水冷这3种情况下的温度场进行了模拟。结果表明,通过提高晶体侧面的热对流换热系数和降低冷却液温度,几乎不能降低激光介质的热效应,而通过抽运端面水冷,可有效地降低激光介质的热效应。     

热容模式下片状激光介质瞬态温度及热应力分析

为了研究激光介质热畸变对固体热容激光器的影响,数值计算了高功率激光二极管阵列抽运片状激光介质的瞬态温度场和热应力分布。结果表明,在相同的抽运功率密度下,激光介质中的温度分布和热应力分布不仅与激光介质几何构型及抽运光空间分布有关,还与抽运光斑在介质表面的填充因子密切相关。当抽运光斑未充满激光介质时,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,并且介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;而当抽运光充满介质时,表面是压应力,较小的拉应力存在于介质内部。     

热容模式下片状激光介质的热畸变

利用有限元数值方法,模拟计算了热容模式下片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:激光介质中的温度分布和热应力分布与抽运光斑及介质的几何形状密切相关。当抽运光斑未充满激光介质时,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,并且介质中最大拉应力和表面的最大轴向位移随抽运光斑尺寸缩小而增大;而当抽运光充满介质时,表面是压应力,较小的拉应力存在于介质内部。介质变形和热光效应(折射率随温度变化)是产生波前畸变的主要原因。热应力双折射对光束产生较大的退偏作用,从而影响激光器的输出性能。     

热容激光器冷却过程的热力学数值模拟

为了研究热容激光器冷却过程中激光介质的热力学特性,建立了激光介质热力学理论模型.该模型将介质表面的换热作为瞬态导热微分方程的热源,得到冷却过程中热传导模型.获得了激光介质在冷却过程中的瞬态温度场,进一步得到介质的热应力.利用数值模拟,得到了YAG介质和GGG介质在不同冷却条件下的冷却时间、温差和热应力.表面换热系数从0.1 W?cm-2?K-1增加到0.5 W?cm-2?K-1,冷却时间明显缩短;表面换热系数从0.5 W?cm-2?K-1增加到1 W?cm-2?K-1,冷却时间缩短不明显.对于相同体积、相同初始温度场的YAG介质和GGG介质,YAG介质的冷却时间少于GGG介质的冷却时间.在相同冷却条件下,YAG介质的温差小于GGG介质的温差,YAG介质的最大等效应力小于GGG介质的最大等效应力.     

激光二极管端面抽运梯度浓度掺杂介质激光器热效应的有限元法分析

基于能量均分方法,根据经典热传导和热弹性理论,建立了激光二极管端面抽运梯度浓度掺杂棒状激光介质的数值模型,考虑到梯度浓度掺杂激光介质端面与空气的对流换热和激光介质材料的热力学参数的温度相关性,运用有限元法,得出了单一浓度掺杂、2阶阶变梯度浓度掺杂、5阶阶变梯度浓度掺杂和理想梯度浓度掺杂四种掺杂结构激光介质内吸收系数、抽运光吸收功率、温度、热应力和应变的空间分布。结果表明,采用梯度浓度掺杂结构可以大大提高激光介质内抽运光吸收分布的均匀性,5阶阶变梯度浓度掺杂激光介质的最高温度、最大主拉应力和最大主应变分别为单一浓度掺杂激光介质的42.6%、31.9%和28.1%,可见明显减小了热效应的影响。理论分析结果可为激光二极管抽运梯度浓度掺杂激光器的合理优化设计提供数据理论支撑。     

LD侧面抽运的Nd∶YAG激光器抽运均匀性研究

通过对激光二极管 (LD)侧面抽运激光介质的分析研究 ,建立了二极管侧面抽运激光介质所吸收的抽运光功率分布的数学模型。采用光线追迹法模拟计算出单个二极管在不同抽运参数下直接抽运激光棒时 ,激光棒所吸收的抽运光功率的分布。比较了介质的吸收系数和二极管到激光棒距离的不同给抽运的均匀性带来的差异。计算了在有冷却系统的条件下 ,多个二极管阵列抽运时的抽运光功率分布 ,得到了较好的抽运均匀性     

LD侧面抽运的Nd：YAG激光器抽运均匀性研究

通过对激光二极管(LD)侧面抽运激光介质的分析研究，建立了二极管侧面抽运激光介质所吸收的抽运光功率分布的数学模型。采用光线追迹法模拟计算出单个二极管在不同抽运参数下直接抽运激光棒时，激光棒所吸收的抽运光功率的分布。比较了介质的吸收系数和二极管到激光棒距离的不同给抽运的均匀性带来的差异。计算了在有冷却系统的条件下，多个二极管阵列抽运时的抽运光功率分布，得到了较好的抽运均匀性。     

LD侧泵激光器抽运光和温度分布数值研究

基于光线追迹法和有限差分法,计算了不同参数下光LD侧面抽运激光棒时吸收的功率和温度分布。模拟计算结果表明不同的抽运头结构对抽运光功率和温度分布有重要影响。随着抽运方向的增多,抽运光功率和温度分布越来越对称。介绍了一些提高抽运光和温度分布均匀性的方法。研究了激光棒横截面内的温度与热传导系数的关系,该温度随热传导系数的增大非线性减小,在一定的抽运功率条件下,热传导系数存在着一个最佳值。     

薄片激光器均匀抽运及均匀冷却技术研究

均匀抽运及均匀冷却是激光二极管抽运激光器减小热致光学畸变以实现高光束质量输出的核心技术难题。通过开展键合薄片激光均匀抽运及均匀冷却技术的研究,采用透镜压缩结合波导匀化的设计思想,实现了95%以上的抽运均匀性。同时通过对薄片介质冷却通道的优化设计,实现了优于96%的温度分布均匀性。原理验证实验结果表明薄片介质的波前畸变得到了有效控制,当平均抽运功率密度为230 W/cm2时,忽略离焦效应后介质的反射波前畸变均方根值约为0.35μm。     

板条热容激光器的二维热特性

固体热容激光器(SSHCL)作为高功率固体激光器的一个重要发展方向,引起人们广泛关注。数值模拟激光介质板条在热容方式下工作的温度和应力分布是了解该类激光器工作特性的一种有效手段,采用平面应力近似法导出了半导体激光器抽运热容激光介质板的二维温度和应力分布公式,同时也对二维抽运光吸收密度、介质板温度分布和折射率变化进行了分析与讨论。数值计算的结果表明二维效应的温度分布和应力分布要比一维效应给出的分布更均匀。     

Thermal Analysis of a Novel Compact Packaged Passively Cooled Laser Diode Array

The temperature of a laser diode array chip must be maintained under a safe level during operation in order to achieve satisfactory performance and lifetime. In this paper, 3-D thermal analysis on diode heatsink is presented. The boundary condition at the bottom of heatsink is constant convective heat transfer coefficient. In addition, heat transfer in thermal-entry region of tubes is accounted for to calculate the convective heat transfer coefficient. Moreover, a 12 mm $times,$ 37 mm $times,$ 7 mm passively cooled laser diode array cooled by a base heatsink is demonstrated. Up to 62 W output power with an electrical-to-optical conversion efficiency of 49.2% are achieved. System thermal resistance of 0.77 K/W is obtained when the flow rate through the base heatsink with 0.8-mm-wide, 2-mm-high and 20-mm-long channels is 25 ${rm cm}^{3} /{rm s}$.      

有机电致发光器件的热学特性分析

采用COMSOL有限元分析软件的固体传热模块,对有机电致发光器件（OLED）的热学特性进行了仿真,发现器件温度随着输入功率成线性增大。在驱动电流为150 mAcm-2时,仿真结果表明,Alq3发光层的最高温度为82.994 3℃;玻璃基板下表面的最高温是77.392 6℃;器件阴极表面中心区域的最高温度为82.994 2℃,其平均温度为78.445℃。通过改变功能层热传导率、功能层厚度、对流换热系数、表面发射率等参数模拟其对OLED器件热学特性的影响,结果表明,当增加基板的热传导率时,OLED器件温度显著下降而且表面及内部温度梯度大幅减小;提高空气对流换热系数及基板的表面发射率,OLED的温度可以大幅减小。而其他参数则对其影响并不明显。     

射流微通道耦合高效散热器传热实验研究

针对光导开关高重复频率运行时产生丝电流加热,使光导开关温度迅速超过材料最高允许使用温度,造成开关失效或损伤的难题,本文结合微通道散热技术和射流冷却技术的优点,设计了射流微通道耦合高效散热器。通过实验测试,对不同运行工况下射流微通道耦合高效散热器的传热特性进行了研究,并与美国进口的蜂窝型微通道散热器进行散热性能对比。实验结果表明：体积流量为3 L/min的情况下,射流微通道耦合高效散热器的换热系数超过35 000 W/(K·m²),散热量高达1 000 W,相比蜂窝型微通道散热器散热量提升了45%。在测试流量下,随着体积流量的增加,射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数接近线性增加,而蜂窝型微通道散热器的平均换热系数在大流量下却增加缓慢。此外,采用射流微通道耦合高效散热器冷却的热源面温度均匀性明显优于采用蜂窝型微通道散热器冷却的热源面温度均匀性,采用射流微通道耦合高效散热器的热源面温度波动能降低58%,更有利于降低光导开关热应力。     

空心叶片激光快速成形过程的温度/应力场数值模拟

针对航空发动机空心涡轮叶片激光快速成形(LRF),建立了温度场/应力场瞬态模型,采用有限单元生死技术模拟了熔覆层的沉积生长过程.采用随动强化及米塞斯屈服准则进行了热弹塑性分析,通过间接耦合模拟了TC4钛合金空心叶片激光快速成形的温度场/应力场演变过程.结果分析表明,在TC4钛合金空心叶片激光快速成形过程中,随着熔池的移动和成形高度的增加,温度场和应力场动态演化,其中由于基座的冷却及约束作用和熔池加热及应力释放作用,激光快速成形空心叶片温度和应力/应变场沿高度(z轴)方向呈梯度分布.温度场上高下低,散热方向从上至下,从熔池到基座;应力场下高上低,叶根等效应力最大.空心叶片激光快速成形结束冷却到室温,残余应力与熔覆过程应力分布规律基本相同,只是叶片顶部等效应力有所提高.     

高功率微波装置散热热沉传热流动特性

高功率微波装置在运行时面临的高热流密度散热是当前热控必须解决的难题。微小通道热沉散热结构简单,换热能力突出,在一定程度上能够解决高热流密度散热的问题。但使用微小通道热沉散热时,散热面温度在沿工质流动方向不断升高,这对器件稳定运行不利。而射流冲击技术中流体垂直于热源喷射,温度边界层薄,温度梯度大,换热效果强。将射流冲击技术与微通道热沉相结合,不仅能提高换热系数,增大换热量,而且能实现良好的温度均匀性。对高热流密度下射流冲击微小通道热沉进行数值模拟,分析不同射流孔径对其传热和流动特性的影响。结果表明,增大远离出口处的射流孔径,有利于提高传热效率和减小流动阻力。优化后的射流微通道热沉,在质量流量为14 g/s时,换热系数接近39 000 W/(m2·K)。     

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％。     

掺镱大功率光子晶体光纤激光器热效应分析

数值模拟分析了大功率光子晶体光纤(PCF)激光器的温度场和热应力场.通过引入等效热传导率对光子晶体光纤结构进行简化,建立了光子晶体光纤激光器的三维温度场模型.利用有限元方法数值模拟得到了自然对流换热时光子晶体光纤中的温度场及光纤端面的热应力场,并对强制对流换热时光子晶体光纤的冷却效果进行了数值模拟分析.结果表明,对于选取的PCF,通过采取强制对流换热措施可以承受1000 W的抽运功率而不会产生热效应损伤,如果需要通过提高抽运功率以获得更大功率的激光运转,则需要改变光纤的结构.     

大功率CO2激光器输出窗口热性能分析

为了研究大功率CO2激光发射过程中输出窗口吸收激光能量产生热性能变化的问题,建立了输出窗口传热学和结构力学耦合非稳态模型,通过对模型进行有限元分析得到表征输出窗口变化的温度、热变形和热应力等参数分布。首先,针对大功率CO2激光特点,讨论了输出窗口材料GaAs和ZnSe的物理特性。然后,基于10 kW级大功率CO2激光器光学谐振腔结构和输出窗口材料物理特性,建立了输出窗口传热学和结构力学的有限元模型。最后,利用COMSOL软件对该模型进行求解,得到以GaAs和ZnSe为材料的输出窗口的温度、热变形和热应力等参数分布,并对比分析不同窗口材料对参数的影响。研究表明:在10 kW级激光作用下,ZnSe窗口温升小于GaAs窗口;两种输出窗口产生m量级热变形;由于GaAs材料的热导率高,GaAs窗口的热变形和热应力分布更为均匀。     

Performance and Spectral Tuning of Optically Overtone Pumped Molecular Lasers

A laser model was developed to predict the performance of optically pumped higher overtone molecular lasers under pulsed and continuous wave (CW) excitations. This model takes into account up to 30 rotational levels in each of the eight vibrational states considered. Collision-induced relaxation among rotational levels, vibrational levels, energy transfer to translational degrees of freedom, and interactions with buffer gas, and the temperature dependence of these processes are included. Using parameters for a second overtone pulse pumped HBr laser, a complete lasing cascade can be expected at a certain pump pulse fluence resulting in maximum achievable efficiencies approaching 80%. Optimum operational pressure and temperature conditions are determined by the gas kinetic rates and line broadening effects. Frequency tuning and spectral narrowing of the laser output is possible with the insertion of intracavity filters without sacrificing laser output power owing to efficient energy redistribution between rotational levels mediated by appropriate buffer gases. CW lasing using waveguide (WG) like geometries is possible with efficiencies approaching 92% for first overtone pumped lasers. Heat conduction through the active gas enhanced by buffer gases and subsequent heat dissipation through the cooled WG walls are expected to handle the thermal load up to kW output power levels.