端面抽运复合Nd:YAG陶瓷板条激光介质温度和应力分布的理论分析

基于提出的能量均分方法,理论分析和系统模拟了大功率激光二极管(LD)端面抽运Nd:YAG激光陶瓷板条阶变梯度浓度掺杂情况下板条温度分布及应力分布情况.采用板条阶变梯度浓度掺杂结构,在抽运效率很高的情况下,抽运吸收光功率分布更加均匀,产生更小的热应力,从而解决抽运效率和抽运吸收功率均匀性之间的矛盾.     

梯度浓度掺杂复合板条抽运分布均匀性的分析

为了提高板条介质内抽运分布的均匀性,基于LD双端抽运Nd:YAG陶瓷板条放大器设计方案,理论分析了端面抽运条件下,单一浓度掺杂和梯度浓度掺杂板条介质吸收的抽运功率密度分布情况。通过分析可知,对于单一浓度掺杂板条,会产生抽运效率与抽运吸收功率均匀性之间的相互制约问题,而采用梯度浓度掺杂板条介质,在较高的抽收效率情况下,抽运吸收功率分布更加均匀。结果表明,采用梯度浓度掺杂结构可以提高板条介质内抽运分布的均匀性。     

输出功率11kW的高功率固体板条激光器介质热分析

为研制高功率的板条功率放大模块,对Nd∶YAG板条激光器的增益介质的热结构进行了研究。采用有限元方法仿真了高功率激光二极管阵列端面抽运Nd∶YAG板条介质的温度、应力分布,数值模型考虑了抽运光在介质内的不均匀分布。结果表明,板条介质掺杂和未掺杂结合部位温度和应力最高,是整个板条介质的薄弱环节,应优化设计避免板条破裂。以此为参考设计高功率放大模块,而后搭建激光放大链路,种子光功率2.5 W,通过一级预放模块四程放大后,再经过四级功放模块双程放大,实现了11 kW激光输出。实验中测量了高功率抽运条件下增益介质的温度分布,与数值仿真结果基本符合。     

端面抽运复合结构板条介质热效应分析

通过对激光二极管端面抽运板条介质工作特点的分析,从热传导方程出发,对端面抽运、传导冷却的板条介质的温度场和热应力进行了理论计算.然后,基于LAS-CAD软件的有限元分析(FEA),分别对单一板条和复合板条的温度场和热应力分布进行了数值模拟.通过模拟结果可知,采用复合结构板条介质不仅大幅降低了晶体的温度值,减小了温度分布...     

端面抽运板条放大器抽运均匀性和热效应模拟

为了使激光二极管抽运的全固态激光器能够得到高光束质量、高功率的激光输出,对激光介质的温度分布和热透镜效应的研究很重要。利用ZEMAX软件的非序列模块,根据光束追迹的方法模拟了端面抽运结构下,高功率二极管抽运激光放大器的抽运光在增益介质中的光场分布情况。结果表明,此抽运方式下光场分布均匀。将激光介质中吸收的抽运光体功率密度分布结果代入LAS-CAD软件,计算出在种子光未注入和注入情况下,抽运功率为2400W时,增益介质最大温差分别为68℃,54.7℃以及最大热应力分别为90N/mm2,67N/mm2,因此当抽运功率小于2400W,运转的全过程对于激光增益介质是没有威胁的。该模拟结果对于高功率二极管抽运板条激光放大器的设计具有一定参考价值。     

端面泵浦Yb∶YAG表层掺杂陶瓷板条激光器

报道了一种激光二极管端面抽运的Yb∶YAG表层掺杂陶瓷板条激光器,研究了其激光输出特性。建立了Yb∶YAG陶瓷表层掺杂板条激光输出模型,理论分析了Yb∶YAG陶瓷板条的输出能力。在谐振腔实验中,采用2 Hz低重频、抽运脉宽为1 ms的激光进行双端端面抽运。单脉冲总能量达到10 J时,获得了3.035 J的单脉冲激光输出,其光光转换效率为30.4%,最大斜率效率为42.0%。     

LD抽运1kHz电光调Q 946nm Nd:YAG激光器

对激光二极管(LD)端面抽运的Nd∶YAG晶体产生946 nm激光输出的热效应及输出特性进行了实验对比。实验测量了晶体的端面温度以及热焦距,当吸收抽运光功率达到10 W时,掺杂原子数分数1.0%的端帽键合Nd∶YAG晶体端面温度为25.9℃,约为相同掺杂浓度下普通晶体的1/3。且相同条件下,端帽键合Nd∶YAG晶体能有效缓解热透镜效应。利用波片补偿电光晶体热退偏的方法,实现了频率为1 k Hz电光调Q 946 nm激光输出。在抽运功率为10.4 W时,使用掺杂原子数分数为0.5%的端帽键合Nd∶YAG晶体作为增益介质,获得最大输出功率为311 m W,脉冲宽度为17 ns的电光调Q 946 nm激光输出,功率不稳定性为2.7%。最大输出功率分别是同等条件下使用掺杂原子数分数1.0%的端帽键合Nd∶YAG晶体的2倍以及普通Nd∶YAG晶体的3倍。     

大功率激光二极管端面抽运的Nd∶YVO4激光器

报道了利用掺杂浓度为 0 3at. % ,通光长度为 10mm的Nd∶YVO4晶体作为增益介质 ,带光纤耦合的激光二极管端面抽运的Nd∶YVO4激光器。在抽运功率为 2 7 36 5W时 ,获得了 14 85W的TEM0 0 模输出 ,光 光转换效率为6 0 4 9% ,斜率效率达 6 4 5 %。在上述基础上对晶体的掺杂浓度和晶体长度对激光器性能的影响进行了分析     

激光二极管双端双程抽运Yb∶YAG板条激光器

报道了一种激光二极管阵列双端双程抽运Yb∶YAG板条激光器。基于抽运光在晶体中的吸收特性,建立双端双程抽运与双端单程抽运结构的抽运分布模型,理论分析了双端双程抽运的优点。在抽运光重复频率为400 Hz、脉宽为1 ms、单脉冲总能量为12 J的条件下,利用偏振复用技术实现双端双程抽运板条激光器,获得单脉冲激光的输出能量约为6.13 J,光-光转化效率约为50%。与具有相同掺杂浓度以及相同抽运光吸收效率的双端单程抽运方式相比,双端双程抽运的输出激光能量更高,转化效率更高,稳定性更强。理论分析与实验结果证明双端双程抽运方式有利于进一步提升激光输出的能量与效率。     

用于高功率双包层光纤激光器侧面耦合的对称夹层结构

提出了一种基于亚波长衍射光栅理论的介质-金属-介质的对称夹层结构,这种结构因为没有使用诸如折射率匹配液、光学固化胶等承受不了较高温度的黏接物质,所以可以用于大功率激光二极管阵列的侧面抽运,尤其可用于条形半导体激光器侧面抽运双包层掺杂光纤中,以制作各种大功率稀土离子掺杂光纤激光器,并且其耦合效率可以达到80%以上。同时,这种侧面抽运技术还支持多点抽运以及光纤两端同时激射高能激光。     

基于非均匀掺杂的激光二极管抽运固体激光系统放大介质热特性分析

利用非均匀掺杂的设计思想,针对正面抽运、背面冷却的有源反射镜放大器结构中不同激活离子掺杂分布的介质进行了模拟计算,分析并比较了传统均匀掺杂介质与非均匀掺杂放大介质中的温度、温度梯度、应力、应变以及波前畸变的分布。结果表明,与传统均匀掺杂介质相比,非均匀掺杂放大介质内的温度、温度梯度、应力、应变与波前畸变均有明显的降低。模拟结果证明,非均匀掺杂可以改善有源反射镜放大器构型冷却与产热异面的问题,可以有效地提高放大器增益介质热管理性能,为进一步讨论基于非均匀掺杂的放大介质的热管理优化提供了基础。     

Design criteria for concentration optimization in scaling diodeend-pumped lasers to high powers: influence of thermal fracture

A systematic investigation of a series of Nd:YVO₄ crystals with different dopant concentrations is conducted to scale the performance of diode-end-pumped lasers to higher powers. From the theoretical analysis, the fracture-limited pump power is expressed as a function of the thermal shock parameter, fractional thermal loading, and the absorption coefficient. The thermal shock parameter of Nd:YVO₄ crystals is determined from the laser experiments. Using the thermal shock parameter and the space-rate-equation model, we calculate the maximum output power in Nd:WO₄ crystals at the optimum pump condition as a function of the dopant concentration. The theoretical calculations are in good agreement with the experimental results. The influence of lowering the absorption coefficient on the TEM ₀₀ output efficiency is also studied through the overlapping integral     

High-power and high-temperature operation of Mg-doped AlGaInP-based red laser diodes

This paper reports on high-power and high-temperature operation of an AlGaInP-based high-power red laser diode with magnesium (Mg)-doped quaternary-alloy cladding layer. The use of Mg dopant with small diffusion coefficient enables abrupt doping profiles as well as high carrier concentrations when compared to conventional zinc (Zn) dopant. It was also found that the metal-organic vapor phase epitaxial (MOVPE) growth of Mg-doped quaternary AlGaInP alloy is not affected by so-called reactor memory effects, while unintentional incorporation of Mg is observed in GaAs after the growth of Mg-doped GaAs layers. The higher carrier concentration in the p-type cladding layer enhanced carrier confinement in the active layer so that device performance at high temperature is improved. The abrupt doping profile suppressing dopant diffusion into the active layer eliminates the nonradiative recombination in the active layer resulting in higher external quantum efficiency. The characteristic temperature of the Mg-doped red laser with a lasing wavelength of 659 nm is as high as 167 K while the Zn-doped laser exhibits a temperature of 127 K. High kink-free output power of 150 mW is achieved at 75/spl deg/C.     

侧面紧耦合泵浦微型激光器研究

利用解析法分析了激光二极管（LD）侧面紧耦合泵浦固体激光器中泵浦光强分布特点,其增益分布与发光单元发光面处的束腰半径、激光二极管等间距环绕个数、泵浦源与晶体表面的距离、晶体棒半径和工作物质的吸收系数有关,通过调整泵浦参数可以实现中心强边缘弱的泵浦光分布。采用LD紧贴于Nd:YAG的紧耦合双侧面对称泵浦技术,对侧面紧耦合泵浦微型激光器进行了相关研究,实验上实现了激光二极管泵浦固体激光器（DPL）的微型化。     

二极管侧面泵浦薄片激光器泵浦性能数值仿真

利用二极管侧面泵浦薄片激光器泵浦分布的对称性,通过泵浦分布中的特殊点对泵浦均匀性进行定量描述的方法,提出了由泵浦均匀性和吸收效率共同表征的泵浦性能指标,并使用该指标对一定范围内的阵列距离、圆薄片晶体尺寸和吸收系数的泵浦性能进行了对比。在一定取值范围内,当圆薄片晶体半径为13 mm、阵列与晶体中心间距为37 mm、吸收系数为0.10 mm-1时,泵浦性能指标达到最小值0.111 0。采用接近最优泵浦性能指标值的泵浦参数进行实验,初步测量了热效应造成的薄片相位畸变,根据泵浦分布计算出的相位畸变分布与实验结果基本相符。文中提出的泵浦性能指标和相应计算结果为薄片激光器的优化设计提供了理论参考。     

LD泵浦的1.3at.%Er3+: CaF2中红外高功率固体激光器（特邀）

3 μm波段激光是高精度外科手术的理想光源,也可作为长波中红外光参量振荡器的有效泵浦源。LD直接泵浦Er3+掺杂晶体是获得2.7~3 μm波段中红外激光的有效技术途径,具有成本低、结构紧凑简单等优点。由于Er3+ 2.8 μm激光下能级阻塞问题,一般需要高浓度掺杂,但高浓度掺杂易引起强烈的光吸收,增强了激光晶体的热效应,从而阻碍了激光功率的提升。低声子能量的氟化钙晶体特有的萤石型结构使得三价稀土离子极易形成“团簇”,将低浓度Er3+掺杂到氟化钙晶体中即可获得高效率的中红外激光增益介质。笔者课题组使用温度梯度法成功生长了低浓度掺杂1.3at.%Er3+: CaF₂激光晶体,利用LD直接泵浦获得了2.2 W的中红外激光输出,这是目前利用LD端面泵浦同类晶体中的最高中红外激光输出功率。同时,文中还对上转换泵浦方式下该晶体的2.8 μm激光特性进行了研究。实验结果表明,低浓度掺杂的1.3at.%Er3+: CaF₂晶体是一类具有产业化前景的中红外激光材料,有望推动长波中红外激光器向着结构紧凑、成本低的方向发展。     

1064 nm波段泵浦掺铥光纤激光器的理论研究

文章对1064 nm波段泵浦掺铥光纤激光器进行理论分析,以获得到对实际研究有用的结论.先从理论分析计算了1064 nm泵浦掺铥光纤激光器的粒子速率方程和传输方程,并在传输方程中考虑了泵浦光和激光本征吸收影响.利用matlab软件理论模拟不同长度光纤的正反向泵浦光和激光在光纤中的分布.模拟讨论了输出功率与最佳光纤长度的关系,以及激光本征吸收系数和掺铥离子浓度对输出功率的影响.最佳光纤长度时的激光输出功率最高.考虑激光本征吸收是合理的,较小的本征吸收有较高的最大的输出功率.存在一个最佳的掺杂离子浓度使得输出功率最大.     

LED带抽运Nd∶YAG激光器

为了研究抽运光源光谱与增益介质吸收光谱对发光二极管(LED)带抽运激光器输出效率的影响,进一步提高输出效率,将光谱信息引入激光速率方程中,建立了LED带抽运速率方程, 采用该方法对LED带抽运Nd∶YAG激光器进行了理论分析和实验验证。结果表明,利用红外LED对Nd∶YAG激光器进行侧面抽运,当抽运能量为9.1mJ时,取得了能量为607μJ的1064nm激光输出,达到实验中最高的倾斜效率15.5%,此时光转换效率为6.67%;速率方程的计算求解和实验的输出能量二者基本吻合。这一结果对研究提高LED带抽运激光器的输出效率是有帮助的。     

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。