美国研究热容激光器对物质破坏机理

美国利弗莫尔实验室（LLNL）在军方的资助下，目前正在研究脉冲固体激光对物质破坏机理。采用板条热容固体激光器，进行了激光与钢、铝和碳复合材料等靶材相互作用的初步实验。在这些试验中，激光器的输出能量为80J／脉冲，激光脉冲宽度300μs～400μs，脉冲重复频率10Hz，靶材上的激光峰值功率密度接近2×10^7／cm^2。     

固体热容激光器的设计和功率标定

固体热容激光器（SSHCL）作为下一代最佳候选高功率激光器，引起人们广泛关注。介绍了固体热容激光器工作原理、光抽运期间介质板内荧光分布和温度分布、介质板冷却以及功率标定。详细讨论了激光介质温度对激光输出功率的影响，对有关设计要点也作了相关分析。     

灯泵钕玻璃激光器热容与常规方式运行对比研究

钕玻璃激光器采用双灯、对称紧耦合非聚焦泵浦腔，激光棒的冷却通道与闪光灯的水冷却通道分开且相互独立。用重复频率10Hz、脉冲宽度250μs的两盏闪光灯，同时进行侧面对称抽运，抽运功率900W。激光器先后以热容方式及常规水冷方式运行10s，分别记录100个光脉冲的脉冲能量和100个光脉冲的光斑图像。通过对比分析，热客方式运行的钕玻璃激光器的平均输出功率及单脉冲能量都高于常规运行方式，约为1．4倍，而热容方式运行的钕玻璃激光器具有显著的热负透镜效应，有别于常规方式运行的热正透镜效应。最后再结合理论计算，验证了热容激光器在抽运阶段输出的全部脉冲串能量的理论值。本结果对进一步了解钕玻璃激光器热容工作方式运行的输出特性具有一定的参考价值。     

热容激光器激光输出特性的数值模拟

热容激光器在激射过程中，激光介质的温度快速升高，导致了热容激光器具有特殊的激光输出特性。通过理论分析、数值模拟和实验研究等方法，对热容激光器的激光输出特性进行研究，掌握热容激光器工作的基本规律，为热容激光器的设计、实验提供了重要的参考。建立了描述热容激光输出特性的理论模型，给出了输出功率随激光介质温升及工作时间的变化关系。数值模拟研究结果表明。激光介质的温度从300K升高到400K过程中，阈值功率密度从2．6W／cm^3增加到33．6W／cm^3，输出功率下降7％。利用建立的热容激光器实验装置．测量了不同占空比情况下的输出功率，占空比越高输出功率随时间下降得越快，与数值模拟结果相符。在低占空比时，数值模拟和测量结果吻合较好；在高占空比时出现误差，而且占空比越高误差越大。     

全固体1.3μm增益开关激光器的研究

增益开关和Q开关是获得脉冲激光运转的常用方法,对于在非线性光学研究、光通讯第二窗口装置检测、光纤传感等方面有着广泛应用前景的1.3μm波段全固体激光的脉冲产生,提出了使用增益开关的方法。首先在理论上使用速率方程对增益开关的运转进行分析,并就腔长对脉冲参数的影响进行了数值模拟。接着在实验上采用高频调制激光二极管供电电源的方法,使Nd:YVO4激光器工作在增益开关状态,即通过逐渐减小工作电源泵浦电流的脉冲宽度,使激光仅输出弛豫振荡的第一个脉冲,最后在泵浦电流脉冲宽度为5μs时,获得了平均功率80mW,光脉冲宽度200ns,频率200kHz,峰值功率2W,单脉冲能量0.4μJ的1.342μm激光的增益开关运转。     

快讯：中国电子科技集团公司第十一研究所科研新成果

中国电子科技集团公司第十一研究所固体热容研究小组经过努力攻关，于2005年12月15日实现了二极管泵浦固体激光器热容模式工作激光输出平均功率1．02kW，工作重复频率500Hz。     

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。     

10 kHz窄脉宽固体激光器

报道了一种采用被动调Q 的高重频窄脉宽固体激光器。激光器通过LD端面泵浦,利用自聚焦透镜对泵浦光进行整形耦合,采用Nd∶Cr4+∶YAG晶体,把激光工作物质与Q开关晶体键合在一起,得到一种小体积,宽温范,抗冲击震动效果强的高重频半导体固体激光器。该激光器的工作重复频率在10 kHz,脉宽3 ns左右,中心波长1064 nm,输出脉冲能量常温状态可达14.2 μJ以上,高温65 ℃状态下可达15.2 μJ以上,出光延时抖动在5 μs以内的激光输出。     

医用钬激光器的试验研究及设计

根据对2.1μm波长Cr,Tm, Ho：YAG激光器进行的试验研究，分析了冷却温度、透过率对激光输出的影响。在紧包腔情况下，得到室温时1Hz时的单脉冲能量3.4J，5Hz时的脉冲能量4.8J。同时，解决了激光器低温工作时的水汽附着导致的晶体损伤问题。     

热容激光器中热致受激发射截面改变对输出功率的影响

固体热容激光器发射期间将废热储存在激光介质中,从而使激光介质的温度随着激光的不断发射而不断升高.温度的升高导致激光介质的受激发射截面发生改变.有效受激发射截面的改变导致激光增益的变化.根据各种掺钕磷酸盐玻璃和掺杂原子数分数为1%的Nd∶YAG的发射截面随温度变化的规律,计算出使用相应工作介质的固体热容激光器随温度上升后抽运阈值和输出功率的改变.计算结果表明,掺钕磷酸盐玻璃和Nd∶YAG介质工作在热容模式下,随着温升导致的有效受激发射截面不断减小,激光器输出功率明显下降.     

Investigating Transient Thermal Effects in Flash-Lamp-Pumped Heat Capacity Nd:YAG Rod Laser

Transient thermal effects induced in the laser medium under heat capacity (HC) mode of operation and its influence on the output laser performance is presented. Thermal loading and the resulting negative lensing effects are shown to be different under lasing and nonlasing conditions. Negative refractive power of laser rod affecting the laser resonator stability was observed to be the major cause for the decline in the output power in HC mode. An active resonator model based on measured thermal refractive power is discussed and impact of resonator design parameters on laser beam quality is investigated. An output power of 152 W in HC mode for a run time of 5 s has been obtained. Comparative performance results in conventional continuously cooled (CC) mode is also discussed to highlight the characteristic differences in the two operating modes. Nearly 2–3 times better output beam quality was obtained in HC mode as compared to CC mode.      

热畸变对单板条热容激光器输出的影响

开展了激光二极管(LD)抽运的全固态热容激光器的理论与实验研究,数值模拟了在热容工作条件下侧面抽运的Nd∶YAG板条激光器的热透镜效应,分析了热透镜效应对激光输出的影响,并进行了相应的实验论证。实验中采用的晶体尺寸为57mm×40mm×4mm,激光二极管阵列的抽运峰值功率为12kW,重复频率为1kHz,占空比为20%,为了获得较高的增益,将抽运光通过光学系统进行聚焦,抽运光在晶体侧面的光斑大小为15mm×57mm.实验中观察了1s内的脉冲能量输出的波动情况,在开始工作的时候单脉冲能量输出为1J,在1s后单脉冲能量输出下降到开始的50%。     

钕玻璃激光器热容方式运行的能量特性研究

钕玻璃激光器采用双灯对称紧耦合非聚焦泵浦腔,先后以热容及常规水冷方式运行10 s（重复频率10 Hz）,分别记录100个光脉冲的脉冲能量.通过对比实验分析脉冲能量变化趋势,热容方式运行的钕玻璃激光器的平均输出功率及单脉冲能量均高于常规运行方式,约为1.4倍.结合理论计算,验证了热容激光器在抽运阶段输出的全部脉冲串能量的理论值.该结果对进一步了解钕玻璃激光器热容运行方式的输出特性具有一定的参考价值.     

Power scaling of a flashlamp-pumped Cr:LiSAF thin-slab zig-zag laser

We report on the power scaling of a flashlamp-pumped Cr:LiSrAlF/sub 6/ thin-slab zig-zag laser operating at repetition rates up to 5 Hz. Average output power of 44 W with pulse energies of 8.8 J was achieved operating with a stable cavity. Excellent medium control was also obtained during this operation. Also demonstrated at 5 Hz was operation at energies /spl sim/ 0.5 J in Q-switched mode with unstable optics and bandwidth control, beam quality < 1.5 XDL, bandwidth /spl sim/ 1 GHz, and root-mean-square beam jitter of less than half of a diffraction limited far-field spot radius.     

低抖动准分子激光放大器光源的研究

为了获得低抖动的准分子激光放大器光源,设计了一种以氢闸流管作为高压开关的低抖动准分子激光放大器系统。利用抖动小于4 ns的闸流管触发电路来触发导通氢闸流管,从外部触发信号到准分子光信号之间有一定的延时时间。研究了以氢闸流管作为高压开关的准分子激光放电回路,外部控制信号发生电路产生外部充电信号和出光信号,转换电路将外部充电信号和出光信号转换成固定脉宽的光信号,在实现低抖动出光前,准分子激光放大器系统热平衡过程中会有一定的出光延时漂移现象。讨论了激光运行重复率、激光运行电压和气体状态在热平衡过程中对稳定延迟时间大小的影响。实验表明,在相同运行电压下,稳定延迟时间随着激光运行重复频率的提高而增大;运行电压越高,稳定延迟时间上升的幅度越大。气体恶化后,光脉冲稳定延迟时间变小。激光运行电压和重复频率越高,延时漂移时间越大。在温漂一定时间后,准分子激光放大器内部系统达到热平衡,以外部触发信号为基准,准分子光脉冲信号实现在5、10、15 Hz重复频率下的5 ns内低抖动出光。     

低重复频率脉冲掺镱光纤放大器

为了研究低重复频率两级脉冲掺Yb3+光纤放大器,采用脉冲信号驱动的半导体激光器作为种子光源,产生重频100Hz、半峰全宽100ns、能量30nJ的矩形光脉冲。第1级放大采用单模掺Yb3+光纤放大器,双程放大方案有效地抑制了放大自发辐射,放大后的脉冲能量达到了8.2μJ。第2级放大采用纤芯直径15μm的双包层掺Yb3+光纤放大器,大功率多模半导体激光器连续抽运。结果在抽运功率为7.3W时,放大输出脉冲能量达到了242μJ,放大输出半峰全宽压缩为29ns。输出的光束质量较好,为准单模输出。结果表明,该光纤放大器输出脉冲能量高,具有全光纤化、结构简单的特点。     

激光脉冲对钢材热处理的计算

将激光作用对象视为热物性参数为常量的均匀介质,介绍材料在激光脉冲列作用下温度场的解析计算方法。基于研究结果及钢材马氏体相变模型,提出一种,激光脉冲列对钢材表面相变硬化处理时硬化带尺寸的计算方法,并通过激光热处理实验对计算方法的可行性作出证明。     

光学材料在激光辐照下熔化、汽化相变烧蚀数值模拟

对光学材料激光辐照下传热、相变烧蚀,采用有限差分全隐格式,在相变区采用潜热叠加到比热的方法,编制了一维程序。研究了光学材料Si在不同功率密度、不同脉宽的激光辐照下的传热、相变烧蚀速度和深度。计算结果表明,相变烧蚀速度和深度定量决定于激光能量沉积率大小,也取决于热传导能量损失和相变潜热耗能之间的相互竞争关系。     

A single frequency Nd:YAG ring laser pumped by laser diodes

The design and operation of a diode-pumped Nd:YAG ring laser is described. The laser is shown to be a highly versatile device, capable of efficient generation of both the fundamental and second harmonic frequencies, CW and Q-switched. Single-frequency outputs in excess of 540 mW at 1.06 μm and 18.9 mW at 532 nm output were obtained, whereas multi-longitudinal mode Q-switched operation produced 22.4 μJ per pulse at 5 kHz in the fundamental and 7.3 μJ power pulse at 532 nm