掺Nd~(3+)玻璃微球阵列激光器的热学性能研究

为了研究二极管阵列抽运折射率匹配液冷却的掺Nd3+玻璃微球阵列增益区产生的热效应,采用FLUENT 6.3.26软件建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型,利用有限元分析法,模拟分析了钕玻璃微球阵列的温度分布与自身尺寸、匹配液流速、微球层数和抽运频率的变化关系及其对热畸变的影响。由模拟结果可知,固体微球激光器的热恢复时间短,冷却效果与微球层数无关,流速增加对小尺寸微球的冷却效果无明显改善;当抽运频率为1Hz时,直径为2mm和4mm的微球增益区的单程最大光程差为3.1nm和51.9nm。结果表明,该构型激光器具有高效的冷却能力。这一结果对微球阵列激光器的热管理是有帮助的。     

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%。     

基于微通道热沉的片状激光放大器散热模拟及优化

为实现片状结构高重复频率大能量激光放大器的高效热管理，采用有限元分析(FEA)方法，充分考虑增益介质内部非均匀热分布、微通道热沉中的流速、对流扩散等影响因素，引入流-热-固多物理场耦合数值分析模型，对激光放大器热沉进行分析优化，并基于优化结果探讨了不同流速下微通道热沉的散热冷却能力。模拟结果表明：当基底厚度H_b=2 mm、单个微通道高度H_c=4 mm和宽度W_c=0.4 mm、两微通道的间距W_w=0.3 mm时，微通道热沉冷却能力最强，热阻最小；微通道内冷却液流速过大会导致较大的流动压力损失；微通道热沉的平均等效换热系数可达50000 W/(m²·K)。     

输出5 W的电光调Q Nd:YAG陶瓷激光器

研究了激光二极管(LD)侧向抽运的Nd:YAG陶瓷电光调Q激光器的激光输出特性.该激光器采用九组激光二极管线阵列(LDA)侧面紧密环绕均匀排布的抽运结构,并用微通道热汇冷却技术冷却.在电光调Q方式下,重复频率为100 Hz,抽运单脉冲能量为416 mJ时,用尺寸为φ5 mm×75 mm,掺杂原子数分数为1%的Nd:YAG陶瓷棒,获得50 mJ的1064 nm激光输出,脉冲宽度为12 ns,斜率效率达24%.并实验测量和分析了偏振片,KD*P晶体,四分之一波片等调Q器件的插入损耗.测量了输出激光时间波形和光斑的光强空间分布.     

输出5W的电光调QNd∶YAG陶瓷激光器

研究了激光二极管(LD)侧向抽运的Nd∶YAG陶瓷电光调Q激光器的激光输出特性。该激光器采用九组激光二极管线阵列(LDA)侧面紧密环绕均匀排布的抽运结构,并用微通道热汇冷却技术冷却。在电光调Q方式下,重复频率为100 Hz,抽运单脉冲能量为416 mJ时,用尺寸为5 mm×75 mm,掺杂原子数分数为1%的Nd∶YAG陶瓷棒,获得50 mJ的1064 nm激光输出,脉冲宽度为12 ns,斜率效率达24%。并实验测量和分析了偏振片,KD*P晶体,四分之一波片等调Q器件的插入损耗。测量了输出激光时间波形和光斑的光强空间分布。     

千瓦级浸入式直接液冷Nd:YAG多薄片激光谐振腔

介绍了一种工作在准连续状态下的直接液体冷却的侧面抽运Nd:YAG多薄片激光谐振腔,装置中选用20片Nd:YAG薄片作为增益介质,由激光二极管阵列在其侧面进行抽运,流动的硅氧烷溶液作为冷却液在其端面进行冷却,振荡激光以布儒斯特角穿过多层薄片和冷却液实现增益。设计了层流冷却流场并通过数值模拟验证了其对来流不均匀性的耗散能力。根据之前报道的层流冷却能力测量实验建立数值模型,模拟了流场的冷却效果,实验结果证明了模型的置信性,进而基于模型对激光器中薄片的热安全性进行了评估。在抽运能量为49.9J时,获得了15.7J的最大脉冲能量输出,对应光-光效率和斜率效率分别为31.4%和39.2%;在抽运脉宽为250μs,重复频率为100Hz,平均抽运功率为5kW时,获得了1440 W的平均输出功率。     

LD抽运百瓦级Nd∶YAG激光器实验研究

报导二极管抽运高平均功率Nd∶YAG激光器的实验研究结果.全部采用国产元件,声光Q开关,1064 nm输出120 W,M2～20,光-光转换效率26%,连续工作8小时,输出功率不稳定度<3%. 采用国产的二极管作抽运源,不加装微透镜,同时还要考虑冷却液的流动、流向和高的流速.这种情况下要获得高的抽运强度、高的抽运效率、工作物质内均匀的热分布和增益分布,抽运结构的设计至关重要.我们利用计算机模拟了不同抽运结构时工作物质内的热和增益分布,主要考虑了横截面上二极管阵列的个数、分布、相对于工作物质的位置、冷却液层的厚度等.结果表明,只要设计合理,采用国产二极管可以获得满意的结果.(OC33)     

激光二极管阵列侧面对称抽运薄片激光器

对激光二极管(LD)阵列5向侧面对称抽运Nd∶YAG薄片激光器进行了实验和模拟研究。薄片激光器的耦合系统由消像差透镜组和空心光波导组成,采用15mm×1.5mm的Nd∶YAG薄片进行初步实验,实验得到薄片激光器的激光输出平均功率为65.7W,光-光转换效率为10.5%,同时增益介质内具有较理想的荧光分布。同时考虑激光二极管在快轴和慢轴方向的发散特性及增益介质侧面的散射特性,采用光线追迹法,模拟并分析了增益介质内抽运光分布,模拟结果表明耦合系统具有88.3%的耦合效率,同时增益介质内具有较理想的抽运光分布,且与实验结果相吻合。     

LD端面抽运Nd∶GYSGG最佳增益长度分析与实验研究

激光二极管(LD)端面抽运激光器存在一个最佳增益介质长度,过长或者过短的晶体都会导致激光器输出性能的降低。为了研究热致衍射损耗对最佳增益介质长度的影响,采用理论分析与实验相结合的方法,通过对晶体增益与损耗平衡理论分析计算,求解得到了Nd∶GYSGG晶体的最佳增益长度为7.8mm。同时开展了对不同长度晶体的激光对比实验,证明了接近最佳增益长度的8mm晶体实验效果最佳,在脉冲抽运频率1kHz、能量约7.6mJ条件下,获得了约2.4mJ激光输出,相应的光光转化效率为31.6%。结果表明,该研究对LD端面抽运Nd∶GYSGG激光器的优化设计具有参考意义。     

LD端面抽运Nd:GYSGG最佳增益长度分析与实验研究

激光二极管（LD）端面抽运激光器存在一个最佳增益介质长度,过长或者过短的晶体都会导致激光器输出性能的降低。为了研究热致衍射损耗对最佳增益介质长度的影响,采用理论分析与实验相结合的方法,通过对晶体增益与损耗平衡理论分析计算,求解得到了Nd:GYSGG晶体的最佳增益长度为7.8mm。同时开展了对不同长度晶体的激光对比实验,证明了接近最佳增益长度的8mm晶体实验效果最佳,在脉冲抽运频率1kHz、能量约7.6mJ条件下,获得了约2.4mJ激光输出,相应的光光转化效率为31.6%。结果表明,该研究对LD端面抽运Nd:GYSGG激光器的优化设计具有参考意义。     

Improving the Performance of Gold-Nanoparticle-Doped Solid-State Dye Laser Using Thermal Conversion Effect

Energy transfer between spherical gold nanoparticles with size of more than 15 nm and molecules of organic dye 4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-dimethylaminostyryl)-4H-pyran (DCM) has been studied. Such radiative energy transfer led to high local temperature, giving rise to a bleaching effect that resulted in rapid degradation of the laser medium. Gold nanoparticles were dispersed at concentrations from 5 × 10⁹ particles/mL to 5 × 10¹⁰ particles/mL in DCM polymethylmethacrylate polymer using a radical polymerization process with 2,2′-azobis(isobutyronitrile) (AIBN) as initiator. Using the fast thermoelectric cooling method, the laser medium stability was significantly improved. The output stability of a distributed feedback dye laser pumped by second-harmonic generation from a neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd:YAG) laser was investigated. Moreover, bidirectional energy transfer between gold nanoparticles and dye molecules was observed.     

复合型微通道热沉设计与制作技术研究

从大功率半导体激光器可靠性封装和应用考虑,利用商用有限元软件Abaqus与CFdesign对微通道热沉材料、结构进行优化设计,结合相应的制造工艺流程制备实用化复合型微通道热沉。微通道热沉尺寸为27 mm×10.8 mm×1.5 mm,并利用大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力、封装产生的"微笑效应"进行了测试,复合微通道热沉热阻约0.3 K/W,"微笑"值远小于无氧铜微通道封装线阵列,可以控制在1μm以下。复合型微通道热沉能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求与硬焊料封装的可靠性要求。     

高功率轴快流CO2激光器激励源热沉结构优化设计

为了提高激励源的热稳定性,保证4kW轴快流CO₂激光器的光束质量,采用计算流体动力学的方法,理论分析了激光器激励源热沉的散热机理,对热流密度为106W/m2、面积为16cm2的激励源热沉结构进行了优化设计。结果表明,经过优化之后的热沉其表面的最高温度低于340K,完全能够满足激光器正常工作时激励源核心功率MOSFET对散热指标的要求;同时经过数值模拟得到了带凹槽微通道热沉的优化结构尺寸,分别是微通道凹槽间距P=0.6mm,微通道凹槽倾角θ=45°,微通道凹槽交错距离s=0.1mm,同时当雷诺数Re=546.9时,热沉有最优的散热效果,激光输出功率的稳定度可以控制在±2%以内。此研究为设计具有高效散热能力的微通道热沉提供了理论指导。     

碟片激光器晶体模块阵列射流冲击冷却的研究

为了研究影响碟片激光器晶体模块射流冲击冷却单元换热效果的核心因素,采用数值计算的方法,在喷孔总面积一定的条件下对孔径、孔间距及喷射距离进行了冲击冷却的分析,通过实验对换热系数进行了对比分析,并在实际的碟片激光器上对降温效果进行了验证。结果表明,孔径为0.6mm且孔间距为1.6mm的喷嘴B具有最好的换热效果,在3 L/min的流量及3mm的喷射距离下,换热系数达到55000 Wm-2K-1;不同泵压下,存在最佳喷射距离,喷嘴B在0.2 MPa时,最佳喷射距离为0.5mm;当流量为6.5 L/min、喷射距离为5mm及注入电流为200A时,喷嘴B对碟片晶体的冷却温度比喷嘴C低5℃。此结论为碟片激光器晶体模块射流冲击冷却单元的优化设计提供了参考。     

在亚音速气流作用下连续激光辐照铝合金的穿孔效应

不同气流速度作用下激光辐照靶材的穿孔效应不同。实验研究了亚音速气流（0~0.7 Ma）环境下,1 070 nm连续激光辐照7075铝合金的穿孔效应。对铝合金中心点温度历史、穿孔时间、穿孔孔径以及表面形貌变化进行了分析,结果表明:在相同气流速度下,随着入射激光功率密度的增加,铝合金表面温升速度加快且最终熔融层所达到的平衡温度增大;铝合金的穿孔时间呈指数减小;孔径增大速率呈指数减小。在相同激光功率密度下,随着气流速度的增加,铝合金穿孔时间总体呈先增大后减小至平稳之后再增大的趋势;熔融物移除速度和气流的冷却作用这两方面共同导致在0.1 Ma附近出现最长穿孔时间,在0.3 Ma附近出现最短穿孔时间,0.6 Ma的穿孔时间与0 Ma的穿孔时间大致相等在5.5 s左右;随着气流速度增大冷却效应增强,在0.7 Ma之后铝合金并未出现穿孔。对流冷却导致熔融物快速冷凝,被移除的熔融物集中在气流的下游区域。     

烟囱效应在大功率LED灯具散热器设计中的影响分析

烟囱效应具有强化对流、增强换热的能力。本研究设计了一款基于烟囱效应的大功率LED灯具散热器,采用有限元分析法分析烟囱效应在散热器散热过程中的作用效果。分别探讨了烟囱的高度、烟道孔径以及烟囱个数对散热器散热性能的影响。研究表明,本研究中烟囱烟道孔径的最佳尺寸为6mm。烟囱的高度可依据散热器的高度设计取40 mm~50 mm。在设计条件允许的前提下,烟囱个数越多散热器散热效果越好。     

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%。     

400 mm口径片状放大器JG2钕玻璃增益与激光输出性能实验研究

介绍了用于惯性约束聚变研究高功率激光驱动装置400 mm口径片状放大器系统的JG2钕玻璃片激光增益与激光输出性能等实验研究结果。利用一组三片长的400 mm口径4×2组合式片状放大器系统开展的增益性能实验结果表明,系统工作电压31 kV时小信号净增益系数达到5.37%/cm,小信号增益倍数为1.284倍/片/程,发次运行完成后利用0.3 m/s的洁净干燥气体进行冷却,热恢复时间约为2 h;利用大口径高通量验证实验平台开展的实验结果表明,基于JG2与N41钕玻璃片的优化组合使用最高输出能量达到21.3 kJ/1053 nm,目前已稳定运行500余发,未出现包边胶层异常与材料体损伤等故障。     

球墨铸铁表面激光点状合金化组织及热疲劳性能研究

采用CO2激光器对珠光体基体的球墨铸铁表面进行了点状合金化处理。设计了激光合金化点的分布方案，研究了强化层的组织和性能，对激光处理后的试样进行了热疲劳实验。结果表明，预置TH-2A型C-Si-B-RE合金化涂层，选择适当的激光辐照参数，可以获得表面光洁、硬度高、无裂纹的合金化层。热疲劳实验的循环温度为700 ℃至25 ℃，加热90 s，冷却10 s，共循环90次。实验发现，激光合金化点及其热影响区(HAZ)以外表面区域的热疲劳裂纹萌生主要与石墨球的存在及其圆整度有关，基体中裂纹的扩展在点状合金化区周围受到阻滞。合金化区内热疲劳裂纹同样在合金化区与热影响区的宏观界面被阻滞。热影响区内裂纹萌生主要与热循环过程中产生的氧化物有关，热影响区内极为细化的珠光体团有效地阻滞了裂纹并迫使其只能沿晶界缓慢扩展。