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.     

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。     

LD泵浦Pr∶YLF固体激光器

研究了LD泵浦Pr∶YLF固体激光器。激光器采用LD端面泵浦结构,通过建立激光器热效应模型,对激光晶体内部温度场进行了解析计算,模拟分析了不同掺杂浓度Pr∶YLF晶体的光吸收以及温度场分布,对激光器泵浦耦合系统和输出镜的透射率等参数进行了优化设计,实现了LD泵浦Pr∶YLF固体激光器的高功率、高效率输出。当LD泵浦功率为2W时,获得了最大输出功率为287mW,光光转换效率达16.1,光束质量因子为M2X=1.38,M2Y=1.35的640nm激光。     

侧面泵浦薄片激光器晶体内光分布研究

侧面泵浦薄片激光器中有三个最为关键因素:热键合、泵浦光的均匀性、热沉冷却.文章从理论和实验两方面对二极管侧面泵浦的薄片激光器增益介质晶体内光分布的均匀性进行了研究.在理论上,通过建立二极管侧面泵浦薄片激光器介质内泵浦光吸收情况的数值模型,模拟计算了在Nd:YAG晶体掺杂浓度为0.6at%、七个二极管均匀泵浦条件下,不同晶体尺寸的光斑分布.从实验上,设计了测量晶体内光分布的实验,实验结果与理论结果非常相近.理论模拟结果对实验有一定的指导作用,尤其是在大功率泵浦的情况下有很好的指导意义.     

连续16 W二极管端面泵浦混合腔Nd:YVO4板条激光器

在半导体泵浦的固体激光器中,激光晶体的热效应在很大程度上影响了激光器的能量输出和光束质量.为减小激光器中的热效应,介绍了用LD端面泵浦板条(slab)激光晶体,结合稳腔-非稳腔混合腔型(hybrid resonator)实现的板条激光器.在腔长为50 cm的情况下,得到了16 W连续输出,高泵浦功率时斜效率达到59%,同时进行了稳腔方向的热效应分析.     

LD端面泵浦Er:Yb:glass/Co:MALO晶体热效应分析

为了减弱激光二极管端面泵浦固体激光器热效应的影响，提高激光谐振腔稳定性及改善激光器的输出特性，以激光二极管端面泵浦Er:Yb:glass/Co:MALO晶体为研究对象，采用有限元分析方法，并根据热传导理论对其进行多物理场耦合热效应分析，系统分析了非键合和键合晶体、泵浦中心波长、功率以及束腰半径对激光晶体的温度场、热应力场以及形变量的影响。结果表明：键合晶体中Co:MALO晶体不仅起到了被动调Q的作用，还起到了热沉的效果，可以有效改善晶体内部的温度分布、热应力和形变量。中心波长为940 nm的泵浦对晶体的穿透性远高于976 nm，采用940 nm的泵浦可以改善晶体的最高温度，但976 nm泵浦结构是扩散键合较安全的结构。由于增大泵浦功率会导致晶体单位面积功率密度分布的增加，热效应也会加剧，泵浦功率增大100 mW对应温度增加9 K，热应力增加1.5 MPa，热形变增加0.5μm。减小泵浦光束半径也会导致热效应的增加，但影响相较于功率不明显。理论分析结果可为激光二极管端面泵浦铒镱共掺磷酸盐玻璃1.5μm固体激光器减小热效应的合理优化设计提供数据理论支持。     

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。     

激光二极管端面泵浦Nd：YVO41064nm激光特性研究

对多种掺杂浓度、长度的Ｎｄ：ＹＶＯ４晶体进行了吸收性质、激光性质的研究和对比,根据实验结果和测得的上能级寿命计算了不同掺杂浓度Ｎｄ：ＹＶＯ４晶体的有效受激发射同,对激光二极管端面泵浦Ｎｄ：ＹＶＯ４固体激光器的最优化有实际指导意义。     

热边界和泵浦结构对激光晶体热效应的影响

报道了不同热边界和泵浦结构下激光晶体的热效应情况。理论上,基于星载激光器的工作特点,通过建立符合激光晶体工作状态的热模型,模拟了Nd:YAG晶体受到具有高斯分布半导体激光侧面泵浦时的温度场分布,分析了热边界、泵浦方式以及泵浦光斑、吸收系数等泵浦参数对温度场的影响。将激光晶体热透镜作薄透镜近似,进行了热透镜焦距理论计算和实验测量。五面环形泵浦结构,泵浦功率4 500 W,10 Hz重复频率下,Nd:YAG晶体的热透镜焦距约9.5 m,实验结果与理论仿真结果基本符合。文中建立的模型与实验方法为预测激光晶体的热效应提供了一种有效工具,为激光器设计提供依据。     

Nd∶YVO4自拉曼激光器泵浦最佳聚焦位置研究

自拉曼激光器因其激光激发和受激拉曼散射效应都在同一块晶体中进行,相对于常规激光晶体和拉曼晶体分离的激光器,一方面减少了腔内元件数,使损耗和阈值降低,激光器结构更加紧凑,另一方面又引发了严重的热效应,因此在自拉曼激光器设计中,需要重点考虑晶体的热效应。本文着眼于泵浦光的最佳聚焦位置的研究,通过热透镜模型对晶体的热效应进行简化处理,结合模式匹配方程量化泵浦光聚焦于晶体内不同位置时的模式匹配程度,计算泵浦光最佳聚焦位置,并通过实验验证了理论计算的可靠性。     

角抽运优化及辐射平衡激光器增益介质设计

角抽运能够避免使用抽运光高透激光高反的双色镜,并且对于低掺杂浓度的激光晶体仍然具有可以接受的吸收效率,因此该抽运方案适合辐射平衡激光器(RBL)较为苛刻的抽运要求.为确保抽运光不会从增益介质的角边泄漏,对角抽运方案中的晶体宽度给出了进一步的优化公式.在992.8 nm抽运光波长下,针对用于辐射平衡激光器的掺杂原子数分数为5%的Yb:KGW激光晶体,利用光线追迹法分别对不使用和使用高温熔合技术的两种角抽运设计方案进行了数值模拟计算.根据抽运吸收效率和均匀性等设计要求,两种角抽运方案中最佳入射角度均为45°,最佳抽运全反射次数值均为1,但是使用高温熔合技术比不使用该技术会使抽运效率提高约20%.     

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。     

固体激光器晶体吸收光场的设计仿真

设计了3类8种二极管侧面泵浦结构,构建了相应的泵浦光学理论模型,采用有限元分析方法,计算了不同结构下的吸收效率和矩阵元素标准差。首先,在给定泵浦总功率、芯片间距、掺杂浓度等前提下,随着泵浦距离在0～5 mm内递增,8种泵浦结构中激光晶体的吸收效率呈降低趋势,矩阵元素标准差也逐渐减小,其中部分结构在近距离(0～0.3 mm)泵浦时矩阵元素标准差变化程度较大,在实际应用中应避免泵浦距离处于近距离区间。其次,在相同结构参量下,随着晶体掺杂浓度在0.6%～1.0%内增加,激光晶体的吸收效率提高,同时,掺杂浓度提升也是造成截面中心峰值降低或半径方向上光场凹陷的原因。因此,掺杂浓度和泵浦距离的匹配将是提升半径方向上均匀性分布的有效手段。     

低功率激光二极管抽运的室温运转Yb:YAG激光器

报道了低功率激光二极管(LD)抽运的1030nm Yb:YAG全固态激光器。由于Yb:YAG为准三能级结构,自吸收损耗大,振荡阈值高,因此采用双路偏振耦合系统增加注入功率密度,并通过降低晶体掺杂浓度,选取合适晶体厚度,用半导体制冷器(TEC)有效制冷,在线性腔中实现了1030nm波长稳定输出。Yb:YAG晶体Yb离子掺杂原子数分数为8%,几何尺寸为11mm×0.7mm,晶体面对输出镜一端镀940nm高反膜,使未被吸收的抽运光反射回去,再次抽运晶体,从而提高了抽运光的利用效率,当注入功率为2W时,1030nm输出功率为192.8mW,光-光转换效率为9.6%,2h内稳定度小于3.5%。     

Nd3+掺杂浓度对无水冷Nd:YAG激光器输出特性的影响

无水冷Nd:YAG激光器采用一种双拱形激光二极管阵列对双棒串接的Nd:YAG进行同心泵浦,将双拱形激光二极管面阵发出的光作高斯光束处理,利用高斯光束通过光学系统的变换规律,借助计算机模拟,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、输出能量及脉宽等输出特性的影响.搭建双半环形LDA侧面泵浦的低频无水冷电光调O Nd:YAG激光器的实验平台,对Nd3+掺杂浓度分别为1%、0.8%、0.6%的激光晶体进行实验测试,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、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.     

晶体热效应对激光二极管抽运调Q固体激光器转换效率的影响

研究了在考虑晶体热效应的情况下,如何最优化设计激光二极管(LD)端面抽运的固体激光器。综合考虑抽运光束分布、抽运功率、谐振腔结构以及激光介质的热效应对激光器转换效率的影响,给出设计激光器的一套仿真计算算法。结果表明,热致衍射损耗与抽运光半径、抽运功率、腔长、振荡光半径以及晶体材料有关,与输出镜透射率以及重复频率无关。在考虑热致衍射损耗的情况下,当抽运功率一定时,最佳的抽运光参数和谐振腔参数能使Nd:YAG的转换效率最大。     

脉冲半导体激光器端面抽运Nd:YAG晶体瞬态热分析

为了研究脉冲半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应,对激光晶体瞬态温度场以及热形变场进行解析分析与计算。考虑到脉冲LD出射光具有超高斯分布,且Nd:YAG晶体热传导各向同性的特点,利用热传导Poission方程得到了超高斯分布脉冲LD端面抽运Nd:YAG晶体瞬态温度场以及热形变场的一般解析表达式,定量分析了单脉冲抽运过程中超高斯抽运光光斑半径及超高斯阶次、脉冲宽度对Nd:YAG晶体瞬态温场的影响以及准热平衡状态温度场的时变特性。结果表明,当脉冲LD端面抽运光具有3阶超高斯分布、抽运功率为80W、脉冲频率为100Hz、脉宽为200 s、钕离子掺杂质量分数为0.01的Nd:YAG晶体瞬态温度场随抽运脉冲呈现出周期性分布,准热平衡状态的温度在25.5℃到29.2℃之间成锯齿形周期分布;晶体抽运面的热形变量在0.13m和0.19m之间也呈现出周期性变化。该研究对于脉冲LD端面抽运全固态激光器热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。     

85W绿光激光器中的KTP晶体热效应研究

本文强调了倍频晶体的热效应问题是影响高功率激光器输出功率的主要因素之一，利用热传导方程对KTP晶体热效应问题进行了理论分析，模拟出了在一定泵浦功率下KTP晶体内部温度分布情况。并提出角度调节及加强冷却的方法来解决晶体热效应问题。在实验中获得了85W的高功率绿光输出。     

Yb:YAG水冷薄片激光晶体热透镜效应及补偿方法研究

热透镜是限制激光器功率提升的重要因素,薄片 结构在散热方面有一定的优势,但在 高功率泵浦下热透镜效应仍是不能回避的问题。本文从热传导方程出发,借助有限元软件, 构建了水冷薄片激光器的模型,在300 W的泵浦功率条件下对薄片晶 体的温度分布、端面变形 量和激光器整机结构的应力分布进行了详细分析,在此基础上,分析了薄片晶体安装时的机 械应力对晶体热透镜的改善作用。对比补偿前后的分析结果可知,当热沉盖板中产生100 N的 正压力对薄片晶体的热变形进行补偿时,其薄片晶体的端面变形量小于未补偿时的变形量, Yb:YAG水冷薄片激光器的热透镜效应有了明显改善。此外,适当增加薄片晶体安装时产生正 压力的大小可以更好地改善激光器的热透镜效应。