激光二极管端泵平板Nd:GdVO4晶体热效应

以解析热分析理论为基础,建立了平板Nd:GdVO<,4>激光晶体在激光二极管阵列端面抽运时的导热微分方程.通过对方程的求解,得到了Nd:GdVO<,4>晶体内部温度场解析式和热透镜焦距随抽运光半径和功率变化的分布关系.温度场的数值模拟表明:当泵浦光功率P=30W、泵浦区域为1 mm×1 mm时,晶体在x,y,z方向的最...     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

纵向抽运准三能级Yb:YAG激光器的理论模型及实验研究

在激光谐振腔中,边缘冷却的激光晶体中存在着温度梯度分布,从而使激光晶体等效为一个热透镜.热透镜效应对固体激光器的性能影响很大.由于热透镜效应,振荡光光斑半径会随抽运光功率及激光谐振腔腔型结构的变化而变化,这将影响输出光功率的大小.在考虑振荡光光斑半径随抽运光功率及谐振腔变化的情况下给出了速率方程的表达式,并采用数值方法求解.由理论分析可知,输出光功率与抽运光功率及谐振腔腔型结构有关.在相同的抽运功率下,腔型不同输出光功率不同.采用930 nm纵向抽运,发射光波长1030 nm的准三能级Yb∶YAG晶体在三种不同腔型结构下进行实验,实验结果表明腔型结构对激光输出功率影响很大.实验结果与模拟符合较好.     

热效应对三向侧面泵浦DPL中TEM00模输出功率的影响

以三向侧面泵浦时晶体内泵浦光强分布为基础 ,数值计算了三向侧面泵浦DPL中热效应引起的热致衍射损耗随泵浦功率、腔模束腰半径和泵浦光束腰半径的变化规律。进一步讨论了热效应存在时的泵浦功率、腔模束腰半径和泵浦光束腰半径对TEM0 0 模输出功率的影响。从计算结果看出 ,热致衍射损耗使输出功率明显降低。泵浦功率、腔膜束腰半径和泵浦光束腰半径对输出功率都有不同程度的影响。文中还用小孔光阑选TEM0 0 模 ,进行了输出功率随泵浦功率变化的实验 ,实验结果与数值计算结果非常接近。     

偏振变换法测量固体激光器的动态热焦距

为了精确测量激光晶体的动态热焦距,提出了一种指示光偏振变换测量方法。基于几何光学成像理论,建立了热透镜动态热焦距的表达式。将准直的指示光往返两次通过具有热透镜效应的激光晶体,利用偏振变换的方法使测量光束有效的从光路中分离出来,采用CCD相机对被测光束进行探测。搭建了激光晶体的动态热焦距的实验测量装置,分别测量了端面泵浦和侧面泵浦两种工作状态激光晶体的动态热焦距,最后分析了实验测量的误差。结果表明:利用指示光偏振变换法测量激光晶体的热焦距,测量误差仅为0.8 mm,能够满足激光器谐振腔设计要求。     

二极管端面抽运Tm∶YAP激光器热透镜效应研究

分析了Tm∶YAP晶体热透镜焦距产生的原因,并理论计算热透镜焦距值.阐明了利用平平非稳腔法测量LD端面泵浦Tm∶ YAP固体激光器有效热透镜焦距的简单方法.通过改变腔长,找到谐振腔失谐点,便可得到晶体吸收的泵浦功率和对应的热透镜焦距的关系.对不同Tm∶YAP晶体棒进行了测量,并且加以比较.此方法不需要特别的仪器,且操作简单,实验值与理论计算的值偏差小于10％.     

热效应影响光束质量的数值模拟

建立了圆柱形激光晶体的热传导模型,在晶体周边冷却、两通光面绝热情况下,通过求解热传导方程,得出圆形截面Nd:YAG晶体的温度分布,得到热效应对光束衍射倍率因子M²的影响与腔长、全反镜曲率半径、输出镜曲率半径、泵浦功率的关系。这一结论为提高激光器的可靠性,研究激光晶体的热效应提供了理论依据。     

LD端面泵浦变热传导系数Nd:YAG晶棒温场特性

为了解决激光二极管泵浦激光晶体产生的热效应问题,对激光晶体内的温升进行了解析分析与定量计算。通过对激光二极管端面泵浦激光晶体工作特点的分析,建立了符合实际工作情况的热模型。考虑到晶体材料热传导系数受其宏观温度变化的影响,应用常数变易法以及特征函数法得到了变热传导系数Nd:YAG晶体棒在端面泵浦情况下温度场的一般表达式。定量计算了激光二极管超高斯分布泵浦光阶次、泵浦功率、光斑尺寸以及晶棒半径对其温度场分布的影响。研究结果表明:使用输出功率为60 W的激光二极管端面泵浦掺钕离子质量分数1.0%的Nd:YAG晶棒,若耦合入射的3阶超高斯光束泵浦光斑半径为400μm,晶棒半径为1.5 mm,长度为8 mm时,Nd:YAG棒内最大温升为343.9℃;而将其热导率视为定值时,晶体的最大温升只有222.7℃。研究结果为正确计算Nd:YAG晶体温度场分布提供了方法,并为提高全固态Nd:YAG激光器性能提供了理论依据。     

Cr,Tm,Ho:YAG激光器输出的实验研究

对闪光灯泵浦Cr,Tm,Ho:YAG平平腔激光器进行了实验研究。在5Hz室温运行下,获得最大能量为217mJ的脉冲输出,其斜效率约为1.2％。利用有限元方法计算了晶体内温度的分布,分析了晶体内温度对激光阈值和斜效率的影响。模拟了光在腔内的分布,计算热晶体的焦距和晶体内光斑的大小,讨论了晶体热效应对激光输出的影响。     

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。     

计算"Top-hat"端面抽运晶体热透镜焦距的改进方法

在激光二极管(LD)端面抽运的固体激光器中,热效应是设计中必须考虑的重要参量之一。研究激光工作物质内热效应的最方便的方法是等效热透镜(TL)法。前人给出的公式算出的热透镜焦距比实验值小。针对“Top-hat”抽运光,在找出了导致计算值与实验值差距的原因后,给出了能够得出更为精确热透镜焦距值的改进方法,并进行了数值计算,根据计算结果给出了拟合方程。研究结果显示,热透镜焦距不仅仅是抽运功率的函数,还是激光半径与抽运光半径比的函数,并且在激光和抽运光半径大致相当的时候,热透镜焦距大约是原来公式计算值的1.6倍。在相同的抽运条件下,热效应造成的衍射损耗同用原来热透镜焦距计算的结果相比要小很多,同样和激光半径、抽运光半径有关。实验证明新理论比旧理论更接近实验结果。     

CCD测量LD端面抽运Nd∶GdVO_4固体激光器热焦距

为研究Nd∶GdVO4晶体在激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中的热效应,给出了一种测量激光器稳态运转时腔内激活介质热透镜焦距的简便方法。采用CCD光束分析仪直接测量输出光束的M2因子及束腰大小,根据混合模类高斯光束传输理论推导出相应的基模高斯光束束腰大小,由此利用稳定谐振腔的传输矩阵理论可得到相应的激光介质的热焦距。实验结果表明,抽运功率越高,热焦距越小,热效应对输出光束质量影响越严重。基于上述原理,对LD端面抽运的Nd∶GdVO4固体激光器热透镜焦距进行了测量,实验结果和理论分析相符。