Nd:GGG激光晶体热容工作下的热致效应与冷却特性数值模拟

基于对称双侧激光二极管（LD）抽运Nd：GGG（掺钕钆镓石榴石）激光晶体板条，从热传导基本方程出发，以废热等效于内热源模型为前提，利用有限元分析软件ANSYS对Nd：GGG板条在热容工作下的瞬态温度场及应力场进行了数值模拟，分析了在不同边界条件下温度和应力随时间和空间的变化特性及其热致变形。计算结果表明：在激光发射阶段，边界非绝热使得板条在垂直光轴方向产生温度梯度，由此产生的折射率梯度和应力梯度导致距离光轴最远的板条边缘和光轴处产生约0．2μm的变形量。同时模拟了冷却阶段空气对流冷却、水循环冷却及喷雾冷却条件下的温度变化过程，研究了适用于热容板条固体激光器工作的冷却手段。     

高平均功率Nd:GGG板条激光器特性

本文介绍Z字形光路Nd:GGG板条激光器的性能特性。晶体尺寸有6~(?)mm×10~(?)mm×100~(?)mm和10~(?)mm×18~(?)mm×167~(?)mm两种。这些板条表面的抛光平直度为λ/5(λ=6328A),表面光洁度为8A rms,表面平行度为10s。正常模式振荡时,在较小板条中得到了45W平均输出功率;在较大板条中得到了145W。在Q-开关工作时,得到了平均输出功率11W、脉冲宽度10ns、重复率20Hz。还把滤除紫外的滤光片放在抽运谐振腔中抑制Nd:GGG紫外辐照,从而延长了运转寿命。     

LD双面侧抽运Nd∶GGG热容激光晶体热分析

为了研究矩形晶体Nd∶GGG受到具有高斯分布激光双侧错位抽运时,激光晶体内部温度场和热形变分布情况,采用以各向异性半解析热分析为基础的方法进行了研究.当用输出功率分别都为300W从Nd∶GGG晶体两侧面错位中心抽运时,高斯半径为9.00mm,最高温度出现在前抽运面,晶体内最大温度为309.73℃;分析了激光晶体工作的特...     

(Nd,Tb, Ce):YAG晶体的激光特性

(Nd,Tb,Ce):YAG晶体是我们最近研制的一种新激光晶体.本文将给出在风冷条件下,(Nd,Ce):YAG和常用的Nd:YAG及(Nd,Ce):YAG在不同重复频率下的激光输出,束散角和光束质量因子的测试结果.对比这些结果,可以看到(Nd,Tb,Ce):YAG晶体的效率不低于(Nd,Ce):YAG,而在热畸变和热稳定性方面,明显优于Nd:YAG和(Nd,Ce):YAG.     

Nd∶GdCOB和Cr∶Nd∶GdCOB晶体的脉冲激光特性

Ca4GdO(BO3)3(GdCOB)是一种新型的自倍频晶体.利用氙灯作泵浦源,对单掺的Nd∶GdCOB和双掺的Cr∶Nd∶GdCOB两种自倍频晶体实现了1061nm～530.5nm自由运转的自倍频转换.单掺和双掺晶体的泵浦阈值能量分别为1.0J和0.92J,自倍频光的最大输出能量分别为1.96mJ和2.46mJ.利用脉冲染料激光作泵浦源,对Nd∶GdCOB晶体获得了1331nm基频光和655nm自倍频红光运转,并获得了530.5nm自倍频绿光输出.     

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。     

掺镱硅酸钇晶体的激光热效应研究

基于LD端面泵浦掺镱硅酸钇（Yb3+:Y2SiO5)晶体的激光特性,考虑晶体侧面的热对流,通过有限差分法求解各向异性介质热传导方程,得到了该晶体的温度场分布、端面热形变分布,计算了在不同泵浦功率下的热焦距。同时比较了考虑晶体侧面热对流系数前后的热焦距,并进行了实验测量,结果表明热焦距随泵浦功率的变化趋势同理论结果相符。     

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.     

二极管端面泵浦Nd∶GdVO4晶体瞬态温场分析

为解决脉冲激光二极管端面泵浦激光晶体瞬态热效应问题,构建了激光二极管端面泵浦激光晶体热模型,运用解析分析法研究了Nd∶GdVO4晶体的瞬态温场分布。考虑到Nd∶Gd-VO4晶体具有热传导各向异性的特点,采用了各向异性热传导方程,得到了超高斯激光脉冲端面泵浦Nd∶GdVO4晶体准热平衡态时激光晶体温度场的一般解析表达式。同时对脉冲激光的超高斯阶次、高斯半径、泵浦功率以及脉宽对Nd∶GdVO4晶体瞬态温场的影响进行了定量分析与计算。研究结果表明:若使用泵浦功率为40 W,脉冲频率为100 Hz,脉宽为80 ms的2阶超高斯分布脉冲激光泵浦Nd∶GdVO4(钕离子掺杂质量分数为1.2%)晶体,达到准热平衡状态时温度在28.8～38.1℃之间成锯齿形周期分布,随着温度场周斯性分布,晶体表面的热形变量也在0.065μm和0.092μm做周期性变化。该结果对热焦距变化范围以及对热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。     

热容模式下LD阵列泵浦Nd:GGG圆盘的温度场分析

为了研究Nd:GGG激光晶体圆盘在热容运行模式下的温度场分布及变化问题,根据实际情况建立物理模型进行了分析.从热传导微分方程出发,通过格林函数法求得激光器工作、冷却阶段晶体内部温度场的解析解,在一定程度上可以反映温度场的变化情况.数值计算了矩形LD光斑尺寸3 cm,泵浦功率8100 W、脉冲频率500 Hz、脉冲宽度0.2 ms条件下泵浦4 s后圆盘的温度场以及变化曲线,得到4 s末的最大应力已经达到晶体断裂极限的47%.采用280 K、290 K的温度分别对圆盘进行背面冷却时,需要60～70 s左右的冷却时间;当采用280 K对圆盘进行背面和侧面同时冷却时,冷却时间缩短到30 s左右.     

Nd∶GdVO_4晶体的生长与性能

报道了在Ｎ２＋Ｈｅ（３０％～５０％Ｖｏｌ）气氛中用提拉法成功地生长了Ｎｄ∶ＧｄＶＯ４晶体。激光实验中，ＬＤ泵浦功率为３５０ｍＷ，采用端泵方式获得波长为１０６０ｎｍ的激光输出，ＴＥＭ００基模方式运行，阈值泵浦功率为９５ｍＷ，输出功率为１３ｍＷ，斜效率为５％。     

Nd∶KGW多波长激光晶体生长与光谱特性

采用顶部籽晶熔盐法 (TSSG)生长出掺钕钨酸钾钆Nd∶KGd(WO4 ) 2 (Nd∶KGW)多波长激光晶体。XRD分析了晶体结构 ,通过X射线荧光分析 ,检测到晶体中含有W ,K ,Gd和Nd元素。测试了晶体的红外、拉曼和紫外可见吸收光谱 ,计算了晶体中Nd3+ 离子的吸收截面积     

基于数值模拟的激光热负荷光强分布设计

激光活塞热负荷模拟实验需将高斯光束调制成按特定光强分布的多个同心光环,为此提出了基于有限元(FE)分析的激光热负荷光强分布反求设计思想。应用最初设计的整形器对有限元模型进行校核,在合理的范围内调整边界条件参数和活塞材料热物性参数,使模拟结果与实验结果吻合;对于校核后的有限元模型,通过调整光强分布和加载条件以接近目标温度场,从而获得整形器优化设计方案。基于上述方法可实现由目标温度场反求设计出光场分布。研究表明,采用数值模拟方法进行研究,可大幅度缩短整形器设计周期、降低设计费用,并起到虚拟实验的作用,从而提高了热负荷实验的可控性和可预见性。     

聚焦激光在KDP晶体中的传输特性模拟

激光在KDP晶体中制作3维微结构是抑制高功率激光驱动器中横向受激喇曼散射效应的一种有效方法.为了了解激光制作微结构的可行性以及激光参量对制作精度、效率和成品率的影响,对聚焦激光在KDP晶体中的传输特性进行了数学模拟研究.激光焦点峰值功率密度、光斑畸变和位置偏移是影响制作精度和造成晶体碎裂的主要因素;e光焦点形貌会随着晶体光轴与入射激光的夹角增大而发生畸变,其峰值功率密度随着夹角的增大而迅速减小.结果表明,当夹角小于15,e光焦点可使加工效率提升1倍以上;当夹角大于30,低能量加工其影响可忽略,高能量加工则极易造成晶体碎裂,应对e光进行屏蔽.     

V型有源镜构型热容激光器热特性研究

为了提高抽运效率、改善抽运均匀性、克服热退偏的影响,建立了一套V型有源镜构型热容激光器,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,对激光介质热分布进行了研究。数值模拟充分考虑了内热源的分布不均匀性,分析了激光介质的3维热分布。实验中采用热像仪对激光介质的表面温度进行了无接触测量。数值计算和实验研究结果具有较高的一致性。研究结果表明,该激光器构型对于提高热分布均匀性有较大的帮助。     

激光晶体热效应的阶梯泵浦技术

针对大功率固体激光器热效应纵向分布不均匀,提出分散热效应思路。根据激光晶体的吸收系数和掺杂浓度的关系设计了阶梯泵浦技术。以LD端面泵浦Nd：YAG固体激光器为例,讨论了激光晶体的最佳分段数、每段晶体的最佳掺杂浓度和最佳长度,仿真分析了热效应的改善情况。结果表明,阶梯泵浦技术能有效降低激光晶体的温度,使泵浦光的吸收功率密度分布、热效应沿轴向分布更均匀。     

MgO∶LiNbO3晶体中双波长Nd∶YAP激光的和频作用

基于MgO:LiNbO3(Mg:LN)晶体的Sellmeier方程,计算了1079.5 nm和1341.4 nm激光在该晶体中和频的相位匹配条件和容承角,计算结果用1079.5 nm和1341.4 nm双波长Nd:YAlO3(Nd:YAP)连续激光在MgO:LiNbO3晶体中的和频进行了实验论证,两者相当符合,并得到了连续的598.1 nm橙色相干辐射.讨论了1064 nm和1318 nm双波长Nd:YAG激光在MgO:LiNbO3晶体中实现双波长和频获得588.7 nm橙色相干辐射的可能性.     

激光二极管泵浦Nd：YVO_4晶体的激光特性

报道了用激光二极管纵向泵浦掺钕钒酸钇晶体的激光实验结果。当输入功率为３２０ｍｗ时，激光输出为７８．８ｍＷ，光一光转换效率为２４．６％。     

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。     

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%。