二极管阵列侧面泵浦固体激光介质的光场分布

研究LD阵列侧面泵浦Nd：YAG激光器泵浦光场的分布特点。首先,在已建立的二极管单bar单侧面泵浦YAG晶体泵浦光场分布数值模型的基础上,进一步建立了适用于激光二极管阵列多侧面泵浦YAG晶体的泵浦光场分布数值模型。然后,根据所建模型,采用光线追迹的方法,借助Matlab编程模拟了单侧面、二侧面、三侧面、五侧面泵浦方式的泵浦光分布特点．分析了系统参数：介质半径、介质吸收系数、光束光腰半径、泵浦距离、二极管bar间距、介质表面粗糙程度对泵浦光分布特性的影响,总结出了一般规律。可为二极管泵浦固体激光器的结构设计和实验研究提供理论参考。在理论分析的基础上,进行了单侧面、二侧面泵浦方式的二极管阵列直接侧面泵浦固体激光器的实验研究。实验结果与理论分析结果基本相符,验证了所建数值模型的正确性。该数值模型的特点是：采用光线追迹方法;适用于漫反射表面工作物质：适用于多种侧面直接泵浦方式,具有可扩充性。     

DPL泵浦光分布对激光脉冲的影响

研究了端面泵浦二极管泵浦固体激光器中泵浦光分布对输出脉冲的影响.通过对端面抽运情形下光场运动方程进行研究,改变泵浦光的半径和功率,得出了输出脉冲峰值功率和脉冲宽度的变化规律.结果表明:泵浦半径增大,输出脉冲峰值功率减小,脉宽展宽.泵浦功率越小,输出光脉宽越大.     

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。     

固体激光器晶体吸收光场的设计仿真

设计了3类8种二极管侧面泵浦结构,构建了相应的泵浦光学理论模型,采用有限元分析方法,计算了不同结构下的吸收效率和矩阵元素标准差。首先,在给定泵浦总功率、芯片间距、掺杂浓度等前提下,随着泵浦距离在0～5 mm内递增,8种泵浦结构中激光晶体的吸收效率呈降低趋势,矩阵元素标准差也逐渐减小,其中部分结构在近距离(0～0.3 mm)泵浦时矩阵元素标准差变化程度较大,在实际应用中应避免泵浦距离处于近距离区间。其次,在相同结构参量下,随着晶体掺杂浓度在0.6%～1.0%内增加,激光晶体的吸收效率提高,同时,掺杂浓度提升也是造成截面中心峰值降低或半径方向上光场凹陷的原因。因此,掺杂浓度和泵浦距离的匹配将是提升半径方向上均匀性分布的有效手段。     

高功率LD侧面单向泵浦激光模块的理论研究

构建了一种激光二极管(LD)侧面单向泵浦激光模块的理论模型.综合光线追迹和有限元仿真方法,推导了该模型下泵浦效率及晶体内光场分布均匀性的计算公式,数值分析了LD切向位移量、径向角度偏离度及晶体吸收系数等因素对泵浦效率和光场分布均匀性的影响.研究结果表明:随着吸收系数的增加,光场分布的均匀性呈现逐渐下降趋势;通过优化LD切向位移量和径向角度偏离量,仿真获得了高达93％的泵浦效率.研究成果对高功率LD侧面单向泵浦激光模块的优化设计和实验研究具有一定的参考价值.     

高功率LD阵列侧面泵浦激光晶体的增益分布研究

研究了LD Bar侧面半环形直接泵浦Nd:YAG激光增益介质的泵浦光分布特点.建立了不同泵浦参数下棒状增益介质内的泵浦光能量分布数值模型,通过光线追迹方法,并利用Matlab软件进行了数值模拟计算,分析了几个泵浦参数对泵浦光分布的影响,总结了一般的影响规律,分析了产生差异的原因,提出了选取泵浦参数时需注意的问题.可为激光二极管环绕泵浦固体激光器的泵浦结构设计提供理论上的指导.     

半导体侧泵模块激光晶体内吸收光场分析

建立了半导体侧面泵浦模块中激光晶体的吸收光场分布模型,利用Matlab软件计算了吸收光场的归一化分布形貌,提出了两个重要参数:阵列切向位移量与径向角度偏离度。结果表明:当阵列切向位移量为0~0.5 mm时,晶体相对吸收强度、光场均匀性等参数基本不变;当该数值大于0.5 mm时,吸收强度急剧下降、光场不均匀性急剧增加;相比而言,径向角度偏移对晶体吸收光场分布的影响较小,总体上呈现随着该数值的增加,吸收强度减小、光场不均匀性增加。以上研究结论为目前半导体侧泵模块的研制生产提供了理论指导。     

LD泵浦Nd:GdVO4 晶体Cr4+:YAG 被动调Q 激光脉宽控制

采用LD 泵浦技术, 实现了Nd:GdVO4、Cr4+:YAG 被动调Q 1.06 μm 激光运转。通过改变泵浦光束在激光晶体内的分布以及Cr4+:YAG 晶体在腔内的位置, 实现了LD 泵浦Nd:GdVO4 晶体Cr4+:YAG 被动调Q 激光器的脉宽控制。根据由ABCD 矩阵传输理论计算得出的腔内模式半径沿腔轴的变化关系, 考虑激活介质热效应以及泵浦光强和腔内振荡光强的空间高斯分布, 给出了LD 泵浦Nd:GdVO4 晶体Cr4+:YAG 被动调Q 激光的耦合速率方程组, 数值求解该方程组, 获得了脉冲宽度随饱和吸收体在激光腔内位置和泵浦光在激活介质内分布的变化关系, 理论计算与实验结果相符。     

泵浦光空间强度分布对激光腔内横模分布的影响

以激光二极管端面泵浦固体激光器为研究对象,在不同的泵浦光空间分布下,通过数值求解速率方程,得到腔内横模分布的变化规律,分析了对光束质量的影响。结果表明,泵浦光半径越接近振荡光半径,基模所占比率越大;而泵浦功率对横模分布的影响不大。     

多边形二极管侧泵激光器光场匀化设计与分析

随着二极管泵浦固体激光器的应用越来越广泛, 对激光器的输出光场指标的要求越来 越高。本文通过对多边形二极管侧面泵浦固体激光器的研究,深入分析其输出光斑参数的影 响要素,详细论证其关键参量与光场均匀性指标的关系,得到了在给定泵浦条件下,芯片间 距(L₁)、芯片发光面与晶体表面间距(L₂)两个参量和光场均匀性、吸 收率之间的对应关 系,给出了优化设计方案。结果表明,在五边形侧面泵浦固态激光器中,在其他参数给定 的情况下,芯片间距L₁的取值区间为0.4mm~0.8mm,芯片发光面与晶体表面间距L₂的取 值 区间为1.8mm~2.4mm。在该范围内,光场分 布标准偏差、吸收率设计指标比较理想。最后, 通过搭建固体激光器测试平台,得到了试验效果,验证了理论分析的正确性,本研究为任意 边型侧泵激光器的设计与制作提供参考。     

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。     

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。     

角抽运优化及辐射平衡激光器增益介质设计

角抽运能够避免使用抽运光高透激光高反的双色镜,并且对于低掺杂浓度的激光晶体仍然具有可以接受的吸收效率,因此该抽运方案适合辐射平衡激光器(RBL)较为苛刻的抽运要求.为确保抽运光不会从增益介质的角边泄漏,对角抽运方案中的晶体宽度给出了进一步的优化公式.在992.8 nm抽运光波长下,针对用于辐射平衡激光器的掺杂原子数分数为5%的Yb:KGW激光晶体,利用光线追迹法分别对不使用和使用高温熔合技术的两种角抽运设计方案进行了数值模拟计算.根据抽运吸收效率和均匀性等设计要求,两种角抽运方案中最佳入射角度均为45°,最佳抽运全反射次数值均为1,但是使用高温熔合技术比不使用该技术会使抽运效率提高约20%.     

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DPAL三维模型及激光输出特性的模拟研究

根据激光三能级速率方程理论,考虑抽运光聚焦的空间分布,建立三维DPAL速率方程组的理论模型,结合激光系统运行的边界条件,通过数值方法,对模型进行求解,对端面抽运铷蒸气激光器的输出特性进行了详细分析,包括抽运光聚焦光斑半径、聚焦位置、蒸气池长度等参量对模式匹配效率、阈值抽运功率和斜率效率的影响。在模式匹配最佳时,计算了对介质长度对激光输出和阈值的影响。根据抽运光功率,以获得最大激光输出功率为目标,给出了激光器系统的优化参数,包括介质长度、抽运光聚焦在介质中的聚焦位置、输出耦合反射率。     

高增益高转化效率LD侧面泵浦模块的研究

采用光电探测器和脉冲电流钳对泵浦波形和激光输出信号进行采集,通过示波器判断激光起振时间,从而判断激光增益大小。比较了激光晶体半径分别为1.5 mm、2 mm、2.5 mm三种条件下LD侧面泵浦模块的增益特性。结果表明,激光晶体半径相对较小时,激光建立时间短,因此增益高,输出激光能量大,光-光转化效率高。     

水下激光光束空间分布特性的实验研究

对高斯光束在不同水体中的传输特性进行了初步实验研究,分析了水体衰减系数对传输特性的影响。实验结果显示,高斯光束在水中不同传输距离处横截面上的光强径向分布仍然可以用高斯函数来描述;高斯光束在水中的光斑半径大于在空气中的,而且水体衰减系数越大,光斑半径扩展得越大;高斯光束在水中的光斑中心光强比空气中的衰减得严重,而且水体衰减系数越大,衰减得越快;高斯光束在大约2～3个衰减长度处光斑光强近似均匀分布。     

侧面紧耦合泵浦微型激光器研究

利用解析法分析了激光二极管（LD）侧面紧耦合泵浦固体激光器中泵浦光强分布特点,其增益分布与发光单元发光面处的束腰半径、激光二极管等间距环绕个数、泵浦源与晶体表面的距离、晶体棒半径和工作物质的吸收系数有关,通过调整泵浦参数可以实现中心强边缘弱的泵浦光分布。采用LD紧贴于Nd:YAG的紧耦合双侧面对称泵浦技术,对侧面紧耦合泵浦微型激光器进行了相关研究,实验上实现了激光二极管泵浦固体激光器（DPL）的微型化。