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。     

连续波500 W全固态Nd:YAG激光器研究

研制了全国产化全固态半导体激光器(LD)抽运模块，Nd：YAG激光输出功率达500W。介绍了优化抽运模块结构参数的程度。从增益分布特性等方面，介绍了研究其输入-输出功率特性的实验装置，随着抽运功率的增加，Nd：YAG激光输出以斜率效率47％线性增加，最大输出功率达到575W，光-光转换效率达26．1％。采用He-Ne激光探测法实验测量了该抽运模块中的热透镜效应。通过测量热焦距，分析了其热透镜效应：热透镜焦距与抽运功率成反比，抽运功率很小时，热焦距大，热透镜效应很小，被Nd；YAG棒的修凹面补偿，所以此时热焦距较大，热效应不显著。随着抽运功率的增大，热焦距减小，热透镜效应越来越显著。     

连续波500W全固态Nd∶YAG激光器研究

研制了全国产化全固态半导体激光器(LD)抽运模块,Nd∶YAG激光输出功率达500W。介绍了优化抽运模 块结构参数的程度。从增益分布特性等方面,介绍了研究其输入 输出功率特性的实验装置,随着抽运功率的增加, Nd∶YAG激光输出以斜率效率47%线性增加,最大输出功率达到575W,光 光转换效率达26.1%。采用He Ne 激光探测法实验测量了该抽运模块中的热透镜效应。通过测量热焦距,分析了其热透镜效应:热透镜焦距与抽运 功率成反比,抽运功率很小时,热焦距大,热透镜效应很小,被Nd∶YAG棒的修凹面补偿,所以此时热焦距较大,热 效应不显著。随着抽运功率的增大,热焦距减小,热透镜效应越来越显著。     

LD角抽运Nd:YAG/YAG复合板条激光器热焦距分析

为了研究LD角抽运复合板条激光器的热焦距情况,采用有限元方法求解了LD角抽运 Nd:YAG/YAG 复合板条晶体的热焦距,得到了该晶体的理论温度分布模型和理论热焦距。此外,采用CCD探测法在未出激光的条件下测量了该复合晶体,得到了实验热焦距,并对实验结果和理论计算结果进行了比较。实验中得到的热焦距变化规律与理论计算基本一致。结果表明,这为进一步改善LD角抽运复合板条激光器输出光束质量,以及提高输出功率提供了必要的理论基础。     

端面抽运Nd:YVO4,Nd:GdVO4及Nd:GdYVO4晶体的热效应比较

为了改善激光晶体热效应,建立了矩形截面激光晶体热模型,通过求解热传导泊松方程,比较了矩形截面Nd:YVO4和Nd:GdVO4及Nd:GdYVO4晶体的温度场分布和抽运端面的热形变,计算了由抽运端面热形变引起的光程差和总的光程差。由比较结果可知,在相同情况下,Nd:YVO4,Nd:GdYVO4及Nd:GdVO4晶体的端面中心最高温升分别约为320℃,342℃和190℃,总光程差最大为1.7μm,2.11μm和1.3μm。结果表明,Nd:GdYVO4晶体端面中心最高温升及总光程差均为最小,更适用于大功率LD端面抽运;对于大功率全固态激光器,由端面热形变引起的光程差对晶体热焦距有较大影响。     

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。     

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。     

CCD测量LD端面抽运Nd:GdVO4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膨因子及束腰大小,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。     

激光二极管侧面抽运激光器热效应的不均匀性

激光二极管(LD)三向侧面抽运晶体时,每根抽运源上激光二极管阵列间的散热窄隙使得抽运光在晶体中轴向分布不均匀,晶体的轴向热均匀性变差.从光强分布的解析表达式出发,通过研究热源分布特性,导出了工作物质热透镜焦距的理论计算方法.数值计算了总抽运功率不变的情况下,抽运源激光二极管阵列的空间占空比、抽运源到晶体中心距离等因素对晶体热透镜焦距的影响.发现热透镜焦距随激光二极管阵列空间占空比和抽运距离的增大而增大.结果表明,抽运光沿轴向分布越均匀,热透镜焦距越长.这为追求晶体轴向热均匀性时侧面抽运源的选择和改进提供了依据.     

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。     

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。     

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。     

端面抽运绿色固体激光器控温性能优化的研究

在激光二极管(LD)端面抽运绿色固体激光器控温部分的设计中通过引入有限元方法(FEM),使用ANSYS有限元分析软件,通过稳态热模拟和瞬态热模拟对控温部分的结构进行了热分析,并且根据模拟的结果对结构进行了优化。研究结果表明,在同样的制冷量输入下,优化后控温部分的控温能力提高了10%左右,较初始结构有明显改善。根据优化后的结构制作了实验装置,并且对实验装置的控温能力进行了测试,通过对比实验测试数据和ANSYS热模拟的数据,确认相互之间的误差小于5%。证实了有限元分析对改善温控激光二极管端面抽运绿色固体激光器控温部分性能有明显的效果。     

LD端面泵浦固体激光器理论在测量Nd：YVO4晶体有效受激发射截面中的应用

对四种掺杂浓度的Nd:YVO4晶体进行了激光性质的研究和对比，从LD端面泵浦固体激光器的理论出发，结合实验数据计算了相应晶体的有产受 射截面σe。结果表明，随Nd^3 浓度的提高，Nd:YVO4晶体的有效受激发射截面σe逐渐增大，上能级寿命Te不断减小，两者的乘积在2at.%附近达到最大值。     

激光二极管双端抽运声光调Q高重复频率Nd:GdVO4激光器

激光二极管(LD)抽运的固体激光器(DPSSL)的调Q器件是获得高重复频率、高峰值功率的有效手段之一,随着激光雷达、激光加工业的发展,要求调Q器件向着更高重复频率的方向发展。Nd∶GdVO4以其优异的物理和激光特性,使得它在激光二极管端面抽运固体激光器的声-光(A-O)调Q器件中,即使在很高的调制重复频率下,仍可获得窄脉宽、高峰值功率的脉冲激光输出。理论分析了影响脉冲激光的输出能量和脉宽大小的决定因素,研究了脉宽、平均输出功率及峰值功率随调Q重复频率的变化关系。利用双激光二极管双端抽运Nd∶GdVO4晶体棒,实现了声-光调Q高重复频率窄脉宽1063 nm激光输出。在晶体入射端面总抽运功率约43 W条件下,当重复频率f=10 kHz时,获得脉宽Δt=10.2 ns,单脉冲能量E=0.95 mJ,峰值功率PM=93.1 kW的输出;在重复频率f=100 kHz时,获得Δt=28.1 ns,E=0.10 mJ,PM=3.6 kW的结果。     

基于HS传感器的固体激光器热透镜焦距测量

基于哈特曼-夏克传感器、激光光束分析仪和谐振腔理论,设计了一种在有激光输出情况下,实时测量固体激光器热透镜焦距的方法,具有简单、便捷、实用的特点。利用此方法,对激光二极管连续端面抽运棒状激光器的热透镜焦距进行了测量,并和理论数值模拟结果进行了对比分析讨论,可为固体激光器的优化设计和实验研究提供参考。     

板条热容激光器的二维热特性

固体热容激光器(SSHCL)作为高功率固体激光器的一个重要发展方向,引起人们广泛关注。数值模拟激光介质板条在热容方式下工作的温度和应力分布是了解该类激光器工作特性的一种有效手段,采用平面应力近似法导出了半导体激光器抽运热容激光介质板的二维温度和应力分布公式,同时也对二维抽运光吸收密度、介质板温度分布和折射率变化进行了分析与讨论。数值计算的结果表明二维效应的温度分布和应力分布要比一维效应给出的分布更均匀。     

端面抽运固体激光器中晶体的热形变

提出了一种易于实现、高空间精度、实时测量激光端面抽运固体激光器端面热形变的干涉测量方法。在一块热效应非常小的光学玻璃与晶体的抽运面之间形成空气劈尖,利用参考光扫描晶体端面准确地测出了激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中晶体的端面热形变。抽运功率为12 W,抽运半径为0.5μm,抽运光束位于晶体端面中心时,晶体的伸长形变为0.645μm,鼓出形变量为0.259μm,总形变量为0.904μm。鼓出形变小于伸长形变,且表面凸起形变总是叠加在轴向伸长形变之上。研究表明表面凸起形变部分较为平坦且占据端面中心大部分区域,并发现热沉的侧面导热情况决定了晶体的伸长形变量。     

基于ANSYS的圆截面激光晶体的热变形分析

为了研究圆截面Nd∶GdVO4激光晶体在端面抽运下的温度场和热变形场,考虑弹性体的协调性,采用有限元方法进行了分析,得到了端面抽运激光晶体棒内温度场和热形变场的数值解,并与相同条件下传热学方法计算结果进行了比较。结果表明,两种方法具有相同的最高温度,但有限元法计算所得最大变形量偏小。这一分析结果对端面抽运固体激光的优化设计提供了参考。