端面泵浦薄片激光器热效应补偿方法的研究

薄片激光器的热效应对输出激光的光束质量以及 激光器的效率有着重大的影响,寻求有效的方法来 实现激光器热效应的补偿一直是高功率激光器研究领域的重要课题。本文基于ANSYS有限元 的分析方法, 对端面抽运Yb:YAG薄片激光器晶体内部的温度分布、热应力分布以及晶体端面的最大形变量 进行了分析。 通过在薄片晶体端面施加压力产生的机械形变与晶体内部的热应变相抵消的方式,在完成薄 片晶体安装的 同时又实现了对激光器热效应的补偿,分析并比较了两种不同的安装方式对薄片激光器热效 应补偿效果的 影响。结果表明,在保持安装所产生的总压力不变的情况下,采用3个固定点的安装方式对 薄片晶体的热 透镜效应改善较为明显。此外,随着薄片晶体厚度的增加,通过施加外部载荷的方式来缓解 激光器热效应的效果就会越差。     

高功率激光二极管端面抽运复合晶体激光器的研究

在高功率激光二极管抽运固体激光器中,热效应已成为获得高输出功率和高光束质量的最大阻碍因素.用有限元方法研究了高功率激光二极管端面抽运Nd∶YVO4激光器中热透镜分布规律,提出了用复合晶体消除热透镜效应的方法.研究表明在端面抽运的传统单一Nd∶YVO4晶体激光器中,由于抽运功率密度很高,热透镜效应非常严重,由端面变形而造成的热透镜效应约占整个热透镜效应的50%;而采用复合晶体能够很好地消除由端面变形而造成的热透镜效应,同时得到很好的冷却效果,获得比采用传统单一晶体高出许多的基模输出功率和更好的光束质量.实验证明,采用复合结构晶体在23 W的抽运功率水平下得到了11 W的基模输出功率,光束质量因子M2 <1 5,光光转换效率达到48%.     

LD端面泵浦的高重频Nd:YAG激光器的热效应研究

在LD端面泵浦的高重频Nd：YAG激光器的光泵浦过程中产生的热效应是影响激光输出特性和系统综合性能的重要因素。从热传导方程入手,利用有限元法求得激光晶体中温度稳态分布的数值解,同时对其热透镜效应进行了计算分析,在此基础上运用传播圆一变换圆的图解分析法进行热稳腔的分离参数设计以补偿热透镜效应。该研究为进一步优化激光器设计,提高激光输出的稳定性奠定了基础。     

半导体激光器侧面泵浦Nd:GdVO4板条热效应研究

为了解决半导体激光器侧面泵浦Nd:GdVO4板条激光器热透镜效应问题,用解析分析的方法研究Nd:GdVO4板条侧泵时产生的温升以及热形变分布情况.通过半导体激光器出射泵浦光光强、激光板条镀膜结构以及工作状态的分析,建立了侧泵板条热分析模型,依据侧泵板条内热功率分布特点,推导出一种新的各向异性热传导方程求解方法,得到了侧泵Nd:GdVO4板条温度场以及热形变场的一般解析计算表达式.并就不同泵浦光斑对Nd:GdVO4板条热效应的影响进行了定量分析.结果表明:当使用输出功率为80W的半导体激光器侧泵掺Nd3+浓度1.2atm.%的Nd:GdVO4晶体时,泵浦面的最高温升为695.2 ℃,泵浦面与通光端面的最大热形变量分别为1.38μm和0.63μm.研究结果对于减小板条激光器热透镜效应影响、提高腔内振荡光的增益效率具有理论指导作用.     

具有热透镜效应的LD端泵Z型腔的理论研究

由于采用大功率端面泵浦会在增益介质中产生热透镜效应,从而对激光器的运转产生严重的影响,本文利用端面泵浦固体激光棒有效热焦距的解析式得到谐振腔的稳区,并在考虑热透镜效应情况下对腔的参数和泵浦功率对稳区的影响进行讨论。     

激光二极管端泵Yb:YAG晶体的温度场及应力场

为了解决激光二极管端面泵浦Yb:YAG晶体引起的热效应问题,通过对晶体工作特点的分析,建立了周边冷却恒温、端面与空气存在热交换的有限元热模型。利用泊松方程,对Yb:YAG晶体的温度场、热应力场、热形变场和热透镜焦距进行了数值计算,并定量分析了激光二极管泵浦光的高斯阶次、光斑半径和泵浦功率对激光晶体温度场的影响。研究结果表明：若激光二极管泵浦功率为50 W,耦合到泵浦面的光斑半径为400μm时,晶体尺寸为3 mm×3 mm×4 mm、掺杂浓度为5.0 at.%的Yb:YAG晶体端面的最高温升为59.2 K,最大热形变量为0.645 67μm,晶体内稳定时最大应力为2.380×10⁸ N/m²,热透镜焦距为19.99 mm,该条件下激光器可正常运行。研究结果为全固态Yb:YAG激光器的设计提供了理论依据。     

激光二极管端面抽运Nd:YVO4固体激光器热致光束畸变非对称的平衡

由于a轴切割Nd:YVO4晶体的非对称性,使得激光二极管(LD)端面抽运Nd:YVO4固体激光器不同于Nd:YAG激光器,输出的激光经常产生非对称结果.用有限元法分析激光二极管端面抽运a轴切割Nd:YVO4固体激光器的晶体热效应,包括温度分布、内部应力和产生的形变.分析结果表明端面抽运a轴切割Nd:YVO4晶体产生了椭球热透镜效应.从结构方面和抽运方面提出了热透镜非对称性的平衡方法,实验验证了方法的可行性.     

激光二极管端面抽运Nd∶YVO4固体激光器热致光束畸变非对称的平衡

由于a轴切割Nd∶YVO4晶体的非对称性,使得激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4固体激光器不同于Nd∶YAG激光器,输出的激光经常产生非对称结果。用有限元法分析激光二极管端面抽运a轴切割Nd∶YVO4固体激光器的晶体热效应,包括温度分布、内部应力和产生的形变。分析结果表明端面抽运a轴切割Nd∶YVO4晶体产生了椭球热透镜效应。从结构方面和抽运方面提出了热透镜非对称性的平衡方法,实验验证了方法的可行性。     

二极管泵浦固体激光器热透镜焦距的数值模拟

理论分析了轴对称时,以泵浦光为标准高斯光束,在散热均匀情况下,激光晶体中的三维温度场分布,计算了热透镜焦距。利用Ansys数值,模拟了不同泵浦功率及不同泵浦光半径下,激光晶体中的三维温度场分布,并利用Matlab处理了温度数据,数值计算了热透镜对平行入射晶体端面的平面波产生相位畸变,描绘出热透镜焦距随半径的变化曲线。数值分析得出,热透镜焦距随径向发生变化,出射光波为非球面波,热透镜等效凹面镜不能用单一曲率半径描述,为非球面镜,并研究了泵浦功率和泵浦光半径对热透镜焦距的影响。     

激光二极管端面抽运激光晶体的热效应

建立了激光晶体的热传导模型,通过求解泊松方程,得到激光晶体内温度和温度场分布,计算了由端面形变引起的光程差(OPD)和总的光程差,得到不同抽运功率下的热焦距,并通过实验进行了验证,实验结果与理论计算基本一致。当抽运功率为10 W,抽运光斑半径320μm时,Nd∶YVO4激光晶体端面形变引起的光程差占总的光程差的45%。抽运功率为24 W时,晶体热焦距为65.8 mm。提出激光晶体端面腔镜会加重激光晶体热透镜效应的结论。研究表明,对于大功率全固态激光器,由晶体端面形变引起的光程差对晶体热透镜效应有较大影响。对提高激光器的稳定性、研究晶体的热效应提供了理论依据。     

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。     

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。     

薄片激光器低畸变冷却技术研究

薄片激光器的导热距离短,能显著降低热透镜效应,已经成为高功率固体激光研究的热点。然而,随着泵浦口径和泵浦功率的不断增大,热效应愈发严重,其造成的热致畸变成为限制激光器出光功率和光束质量的主要因素之一。针对大尺寸薄片激光器工作时热致畸变过大的情况,提出了基于非均匀冷却的微通道复合射流冲击的流道设计思路。基于该思路完成了中心辐射结构冷却器的设计,并借助流-固-热耦合仿真,研究了不同冷却器的流道结构参数对增益介质热致畸变的影响。实验结果表明,采用中心辐射结构的冷却器能将相同条件下的增益介质的光学畸变缩小50%。     

LD抽运Nd:KGW薄片激光器的研究

为了解决Nd：KGW的热效应问题,提出了端面冷却方法,并研究了LD面抽运Nd：KGW薄片激光器的性能。针对LD端面抽运Nd：KGW激光器,计算了激光介质表面的温度分布。计算结果表明,Nd：KGW晶体的热效应相当严重。该激光器外推抽运阈值为300mW。虽然谐振腔损耗高达4．06％,激光器的最大斜效率仍达到30．49％。输入功率为3．2w时晶体被打裂,比类似文献中报道的数值高出大约1W。     

LD抽运复合YAG晶体温度场及热透镜效应研究

为了研究复合Nd:YAG激光晶体棒在端面抽运下的温度分布及热透镜效应,采用数值分析法得到了端面抽运激光晶体棒内温度场的数值解,当抽运光功率为18W、光斑半径0.2mm时,吸收系数为3.5/cm的复合晶体内最大温度为73.8℃;同时还得到了径向梯度折射率引起的轴向传播光相位延迟分布ΔΦt(r),并与相同条件下的普通晶体作了比较.结果表明,采用复合晶体可以大幅度降低激光晶体内的温升,并减小端面变形导致的透镜效应;复合晶体内的相位延迟分布ΔΦt(r)与普通晶体的相似,且不满足对半径r的二次方关系;热透镜和参考球面镜透镜的相位延迟分布之间存在畸变Δφ,在r较小(rp)时,相位延迟分布ΔΦt(r)可近似等效于一球面透镜,其等效焦距fGRIN值与普通晶体的接近,在r较大(r>wp)时,畸变Δφ随r增大而急剧增大.     

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。     

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。     

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%。     

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.     

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。