流体直接冷却固体激光器实现激光输出验证

流体直接冷却薄片型固体激光介质是美国通用原子公司"液体激光器"方案的核心思想,是固体激光实现十万瓦级高功率输出的有效途径。固液表面损耗、液体流场影响以及腔体附加损耗等,是此类激光器所面临的新问题。2012年5月中旬,清华大学的流体直接冷却固体激光器进行了首次整机实验,实现了激光输出。     

高功率直接液冷固体薄片激光器的设计与实验

设计了一种新型高功率直接液冷固体薄片激光器,由数十至数百片透射薄片密集堆叠构成分布式增益系统,使特种激光冷却液在增益介质间的平板微流道内流动以实现薄片直接冷却,有效解决了传统高功率固体激光器中增益介质焊接于热沉引入的热致应力、焊接面变形等问题。对该激光器的腔内损耗、腔内像差等参数进行了优化设计。分析了影响光-光转换效率的关键因素,根据像差特点给出了光束质量控制方法。将20片薄片以特别角度密集堆叠构成增益模块,利用两个增益模块在稳腔和非稳腔中均实现了功率大于9kW的准连续波(QCW)偏振激光输出,且这一实验室光源的体积小于0.4m3。     

基于液体直接冷却的薄片固体激光器研究

详细研究了直接液体冷却薄片固体激光器的关键技 术,主要包括增益模块内流道结构的设 计、薄片增益介质的装夹方式的选择等。从流场的流动状态和 流道换热能力的角度出发分析了增益模块内流道结构的设计;对比分析了采用 “软装夹” 和“硬装夹”对增益 介质热应力和增益介质所能承受最大抽运功率的不同影响,计算结果表明,采用“软装夹” 增益介质所能承受 的抽运功率大约是“硬装夹”的8倍。最终,基于课题组所研制的1kW量级直接液体冷却薄 片固体激光器对其关键技术进行分析总结。     

国外新型电驱动高能激光技术现状与发展趋势

主要讨论了国外平面波导激光器、固体薄片激光器、浸入式液冷固体激光器、碱金属蒸汽激光器、相干合成光纤激光器等新型电驱动高能激光光源的技术发展现状、关键技术以及未来作为激光武器应用的潜力。它们至少在原理上可以解决当前高能固体激光或光纤激光面临的一些难题,但因为某些缺点或者面临一些待解决技术问题,使其输出功率、光束质量或体积、重量等指标暂时达不到典型高能固体激光或光纤激光的水平。详细讨论了这些新型电驱动高能激光的优缺点,并对其技术发展前景进行初步分析判断。     

液体冷却大面泵浦板条激光器的波前畸变研究

固体激光器中热效应引起的波前畸变影响了高光束质量,高功率的激光输出,限制了它在当代工业加工和科学研究领域的应用发展。以激光波前畸变的产生机理和液体冷却大面泵浦板条激光器的优势为切入点,利用哈特曼-夏克波前探测器进行一系列的波前畸变测试,通过对静态波前畸变量和动态波前畸变量等结果进行数据分析,对影响结果的因素进行分析,并提出改进意见,以期望进一步减少液体冷却大面泵浦板条激光器的热效应。     

大功率激光武器及其冷却系统

回顾了大功率激光武器的分类与发展历史,根据现有冷却方法的热负荷范围,提出解决未来大功率激光武器热管理的可能途径.对于千瓦级固体激光器的冷却,可采用激光二极管抽运方法减少进入工作介质的热量,采用微通道液冷或喷雾冷却等方法以有效地导出工作介质中热量.兆瓦级化学氧碘激光器或中红外氟化氘化学激光器等,可采用喷雾冷却或热泵冷却等方法.     

激光介质温度场及应力场的流固耦合数值模拟

激光介质的热效应会导致固体激光器在工作过程中产生像差,造成激光光束质量下降,严重影响了固体激光器的发展与应用。以一种固体激光器用微通道双面冷却系统为研究对象,建立其三维物理模型,采用流固耦合方法模拟冷却系统的流场、温度场及介质应力场,并考察了流动雷诺数与Nd…YAG晶体薄片内部热流量对薄片热变形的影响。结果表明,冷却系统内流场对薄片温度场及应力场的影响不可忽略;薄片的最大Von Mises等效应力出现在边缘位置,且随着雷诺数的增大而减小;薄片的热变形因流动状态的变化而存在不同的分布形式;热流量只对薄片热变形的程度有影响,热流量越大,薄片的热变形越大。     

板条固体激光器的一种热物理模型

为了获得固体激光器的高功率、高光束质量和高效率，采用理论分析的方法，建立了板条激光介质温度分布和冷却速率等热物理参量的模型，并以灯抽运钕玻璃板条固体激光器为例，进行了数值计算。结果表明，2维模型可以更精确地说明板条固体激光器的温度分布和冷却速率等热物理特征。该研究对高功率板条激光介质的设计具有一定的指导意义。     

掺钕无机液体激光器

液体激光器中目前已有两种器件获得了重要的意义,即染料激光器和掺钕的无机液体激光器。本文将简要介绍后一类型中有代表性的一种器件。用液体作激光介质,其主要的优点是,冷却性能好而且简便。激活介质中由泵浦光所产生的热可以通过液体循环经热交换器散发掉。基于这一性能,可以预期,在脉冲输出功率相同的情况下,钕液体激光振荡器与固体激光器相比可能允许有较     

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%。     

半导体可饱和吸收镜实现超短高功率脉冲激光研究进展

介绍了半导体可饱和吸收镜(SESAM)的基本结构及使用半导体可饱和吸收镜被动锁模固态激光器的基本原理.综述了利用半导体可饱和吸收镜被动锁模薄片式固态激光器及光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器,获得高平均输出功率超短脉冲的最新进展,并指出量子点半导体可饱和吸收镜的使用将加速超短高功率脉冲的发展.     

高平均功率固体激光器抽运结构发展

总结了实现高平均功率固体激光器的抽运结构,包括Nd：GGG热容激光器、掺Yb激光器及薄片激光器等,为设计高平均功率激光器及抽运方式选择提供了参考依据。     

Pumping with diodes

The development of semiconductor lasers for pumping solid-state laser crystals is discussed. The basic operating principles of solid-state devices are reviewed to show why this new development is so important. Among the first of the new diode-laser technologies to be applied to pumping was the phase-locked array, which produced much higher power outputs and higher brightness from room-temperature CW diode-laser systems. With diode-laser arrays capable of power outputs between 0.2 and 2 W, and relatively good beam quality, it became possible to pump Nd:YAG and other crystals longitudinally, with the pump and laser output beams either parallel or antiparallel in the laser crystal. Diode pumping allows the flowing cooling liquids and fluctuating arc lamps used in conventional lamp-pumped lasers to be replaced by solid heat sinks and stabilized pump lasers. As a result, designers can build low-power solid-state lasers having high mechanical and thermal stability. Short-term linewidths in the kilohertz range can be obtained from diode-pumped devices, and the long-term drift of monolithic devices can be kept within 50 MHz for over an hour (for a center frequency of 3×10⁸ MHz) by controlling the laser-crystal temperature     

氟化物激光晶体及其在固体激光器中的应用

作为一种重要的激光基质材料,氟化物激光晶体在固体激光器的研究和开发中发挥了重要作用。与其他激光介质相比,氟化物激光晶体具有自发荧光寿命长、折射率受温度影响小、热透镜效应小等优点,具有良好的热稳定性,决定了其在固体激光器领域特殊的应用价值。本文重点介绍现在广泛应用于各类激光器的氟化物激光晶体的性能与应用情况,在此基础上,展望了氟化物激光晶体未来的研究前景。     

边缘抽运非对称Yb:YAG盘片激光器

为了对Yb:YAG固体盘片激光器进行简单高效的抽运,采用了边缘抽运的方式,使用LD阵列通过光束耦合装置对非对称Yb:YAG/YAG复合晶体进行抽运,获得了80%以上的抽运光吸收效率和较均匀的吸收分布;同时,为了避免高功率工作下晶体过热导致性能下降,对这种抽运结构的散热装置结构进行了理论分析和实验研究,自主设计了理论散热效率超过12W/(cm2·K)的微喷式散热系统,并进行了实验。在抽运吸收功率750W时获得了123W的连续光输出,斜率效率达到34.8%。结果表明,边缘抽运方法在LD抽运盘片激光器的研究中有着很好的应用前景。     

高平均功率全固态激光器

综述了近年来棒状、盘片、光纤和热容等高平均功率全固态激光器的进展和国内近期的工作.围绕限制激光器输出平均功率提高和激光光束质量下降的热效应问题,比较了各类激光器的优缺点.总结了减小或补偿无用热不利影响的现有技术手段,指出减小激光器热效应可能的技术途径.     

热容型板条激光器的感应折射率计算

高平均功率固体激光器的增益介质由于受热而容易发生畸变,如常用材料YAG,波前畸变和去偏振现象会同时发生,高热负载固体激光介质的热效应已成为制约激光器输出功率进一步提高的严重障碍。给出一种计算热容型板条激光器热感生折射率的方法。把YAG晶体的四阶压光张量从晶胞坐标系转换到实验室坐标系,采用经过坐标转换后的新的张量,可以分析在YAG激光器中任意应力分布引起的热感应双折射。进一步的计算表明,在zigzag板条激光器中,应力双折射率与板条从晶体毛胚上切割成材的角度有关。同时也对热容板条激光器的热效应和应力特性进行了二维的理论性概述。     

End-pumped Nd:YAG laser with self-adaptive compensation of the thermal lens

Thermally induced lenses are the most critical problem in the development of high-power solid-state lasers. To compensate for thermal lenses, we have been investigating self-adaptive compensation methods based on thermal effects themselves. Recently, we demonstrated a novel compensation scheme for transversally pumped lasers. This scheme has now been adapted to an end-pumped laser system. The reduction of the thermal lens has been simulated and measured experimentally. The experiments were carried out with a diode-pumped Nd:YAG laser with a maximum output power of 15.6 W.     

Yb:YAG水冷薄片激光晶体热透镜效应及补偿方法研究

热透镜是限制激光器功率提升的重要因素,薄片 结构在散热方面有一定的优势,但在 高功率泵浦下热透镜效应仍是不能回避的问题。本文从热传导方程出发,借助有限元软件, 构建了水冷薄片激光器的模型,在300 W的泵浦功率条件下对薄片晶 体的温度分布、端面变形 量和激光器整机结构的应力分布进行了详细分析,在此基础上,分析了薄片晶体安装时的机 械应力对晶体热透镜的改善作用。对比补偿前后的分析结果可知,当热沉盖板中产生100 N的 正压力对薄片晶体的热变形进行补偿时,其薄片晶体的端面变形量小于未补偿时的变形量, Yb:YAG水冷薄片激光器的热透镜效应有了明显改善。此外,适当增加薄片晶体安装时产生正 压力的大小可以更好地改善激光器的热透镜效应。