脉冲激光二极管端面抽运全固态激光器热效应瞬态过程

从圆柱状晶体热传导方程出发,采用有限元方法,对脉冲激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的瞬态温度场分布进行了计算.对单脉冲过程中,晶体升温和降温时端面温度的分布情况进行了计算;分析了束腰位置和束腰半径对单脉冲过程的影响,以及晶体热弛豫时间的影响因素;根据光线追迹理论,分析了激光晶体内温度分布达到动态平衡后,由温度梯度引起的中心与边缘相对光程差时变特性.结果表明,当束腰位于晶体抽运端面时,增大束腰半径晶体端面温度降低;当不改变束腰半径并且后移束腰位置时,晶体端面温度降低;增大冷却液对流换热系数或者空气流速、降低空气温度以及减小晶体半径都可不同程度地缩短热弛豫时间;当晶体温度分布达到动态平衡后,晶体内各点温度呈周期性变化;由晶体径向温度梯度引起的相对光程差(OPD)也随时间作周期性变化.     

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。     

激光二极管端面抽运固体激光器的热效应和热透镜焦距测量

激光二极管(LD)端面抽运固体激光器的热效应是影响激光输出特性和系统综合性能的重要因素,因此准确的热透镜焦距测量是谐振腔设计的重要前提。从热传导方程入手,计算了LD端面抽运晶体的温度梯度分布,求出探测光束经过晶体后的相位差分布,通过傅里叶变换得到探测光的夫琅禾费衍射图样。基于上述理论模型,提出了一种利用探测光的夫琅禾费衍射图样测量热透镜焦距的新方法,可实时在线测量。由夫琅禾费衍射图样求出光程差,进而由光程差可求出激光晶体的热透镜焦距。实验测量了激光晶体的热透镜焦距,并与非稳腔法实验数据进行对比,证明了这种方法的可行性。     

脉冲半导体激光器端面抽运Nd:YAG晶体瞬态热分析

为了研究脉冲半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应,对激光晶体瞬态温度场以及热形变场进行解析分析与计算。考虑到脉冲LD出射光具有超高斯分布,且Nd:YAG晶体热传导各向同性的特点,利用热传导Poission方程得到了超高斯分布脉冲LD端面抽运Nd:YAG晶体瞬态温度场以及热形变场的一般解析表达式,定量分析了单脉冲抽运过程中超高斯抽运光光斑半径及超高斯阶次、脉冲宽度对Nd:YAG晶体瞬态温场的影响以及准热平衡状态温度场的时变特性。结果表明,当脉冲LD端面抽运光具有3阶超高斯分布、抽运功率为80W、脉冲频率为100Hz、脉宽为200 s、钕离子掺杂质量分数为0.01的Nd:YAG晶体瞬态温度场随抽运脉冲呈现出周期性分布,准热平衡状态的温度在25.5℃到29.2℃之间成锯齿形周期分布;晶体抽运面的热形变量在0.13m和0.19m之间也呈现出周期性变化。该研究对于脉冲LD端面抽运全固态激光器热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。     

激光二极管端面抽运矩形截面Nd:GdYVO4晶体热效应分析

研究了激光二极管(LD)端面高功率偏心抽运矩形截面激光晶体引起的热效应,提出偏心抽运矩形截面偏心度(ERS)的定义.通过求解周边恒温冷却Nd:GdYVO4激光晶体泊松热传导方程,得出了偏心度对晶体内部温度场的影响,以及温度梯度场的分布.研究表明:与中心抽运相比,偏心抽运时,激光晶体端面的最高温度有所降低,但温度梯度最高值升高,热畸变严重.     

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.     

掺镱大功率光子晶体光纤激光器热效应分析

数值模拟分析了大功率光子晶体光纤(PCF)激光器的温度场和热应力场.通过引入等效热传导率对光子晶体光纤结构进行简化,建立了光子晶体光纤激光器的三维温度场模型.利用有限元方法数值模拟得到了自然对流换热时光子晶体光纤中的温度场及光纤端面的热应力场,并对强制对流换热时光子晶体光纤的冷却效果进行了数值模拟分析.结果表明,对于选取的PCF,通过采取强制对流换热措施可以承受1000 W的抽运功率而不会产生热效应损伤,如果需要通过提高抽运功率以获得更大功率的激光运转,则需要改变光纤的结构.     

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.     

LD端面抽运变导热系数Nd:YAG晶体热效应

为了计算二极管抽运Nd∶ YAG晶体温度场及热形变场,建立了端面绝热、周边恒温的晶体热模型.基于Nd∶ YAG晶体导热系数及热形变系数与其温度的函数关系,应用Newton切线法对热传导方程进行求解,得到了变导热系数和变热形变系数矩形截面Nd∶YAG晶体端面抽运下的温度场和热形变场的一般表达式,同时计算了Nd∶ YAG晶体在不同抽运功率和抽运光斑半径下内部温度场和热形变场的分布变化.结果表明,使用钕离子质量分数为0.01、尺寸为3mm×3mm×8mm的Nd∶ YAG晶体,在功率为60W、光斑半径为450μm的抽运光照射下,变导热系数的Nd∶ YAG晶体端面最大温升为55.7℃,最大热形变量为2.85μm,而按传统将Nd∶ YAG晶体导热系数、热形变系数均视为定值时,晶体端面最大温升为43.4℃,端面最大热形变为2.84μm.     

LD端面泵浦Nd:KGW激光器热效应的理论研究

通过建立晶体的热传导模型,合理设定边界条件和求解泊松方程,得到了晶体内部的温度分布图。进而计算了Nd:KGW晶体由端面形变引起的光程差和总的光程差,同时得到了不同抽运功率下的热焦距。计算结果表明,Nd:KGW晶体的热效应十分严重,晶体的端面形变是导致热透镜效应的主要因素。     

LDA侧面泵浦固体激光器介质瞬态温升过程分析

根据二极管泵浦光强分布特性,考虑固体激光材料物性参数的温度相关性,建立了二极管侧面泵浦固体激光介质内热源分布的数值模型,从热传导方程入手,针对三角均布侧泵结构,采用有限元方法计算分析了激光棒内瞬态温升过程以及稳态温度分布情况.讨论了泵浦及冷却参数对瞬态温升过程及激光棒内温度梯度的影响.分析结果可为二极管泵浦固体激光器的优化设计提供参考.     

Nd∶GGG激光晶体热容工作下的热致效应与冷却特性数值模拟

基于对称双侧激光二极管(LD)抽运Nd∶GGG(掺钕钆镓石榴石)激光晶体板条,从热传导基本方程出发,以废热等效于内热源模型为前提,利用有限元分析软件ANSYS对Nd∶GGG板条在热容工作下的瞬态温度场及应力场进行了数值模拟,分析了在不同边界条件下温度和应力随时间和空间的变化特性及其热致变形。计算结果表明:在激光发射阶段,边界非绝热使得板条在垂直光轴方向产生温度梯度,由此产生的折射率梯度和应力梯度导致距离光轴最远的板条边缘和光轴处产生约0.2μm的变形量。同时模拟了冷却阶段空气对流冷却、水循环冷却及喷雾冷却条件下的温度变化过程,研究了适用于热容板条固体激光器工作的冷却手段。     

圆棒Nd:glass热容激光器的热过程半解析分析

建立了基于Nd:glass热容激光器的热传导模型,利用半解析热分析理论,对于给定的边界条件和初始条件,分别求解出泵浦阶段和冷却阶段时圆棒Nd:glass晶体的Poisson方程的解,得出圆棒Nd:glass晶体的温度场、形变场以及由端面热形变引起的热焦距、附加光程差的计算公式。研究结果表明:当泵浦总功率为2kW,4阶超高斯分布LD对Nd:glass晶体泵浦4s时,获得泵浦阶段圆棒Nd:glass晶体最高温升67.10℃,最大形变量为35.45μm,中心处附加光程差为5.677μm。冷却阶段圆棒Nd:glass晶体冷却800 s后中心最大热形变量为0.943μm。为优化热容激光器提供了理论依据。     

激光二极管双侧泵平板Nd:LuVO4晶体热效应

以解析热分析理论为基础,建立了平板Nd:LuVO4晶体在激光二极管阵列双侧泵抽运时的导热微分方程。通过方程求解,得到平板Nd:LuVO4晶体内部温度场分布的解析式及热形变分布。温度场和热形变场的数值模拟表明:当泵浦光平均功率Po=10 W、泵浦区域为1 mm×1 mm时,四组激光二极管阵列光源在三处不同位置的一维温度场、二维温度场分布和热形变量有很大差异;将三处泵浦光源位置所产生的温度分布和热形变量对比,得到了泵浦光源在位置1、2处所产生的温升和热形变量相对较小,位置3处最大。所得结论可为平板Nd:LuVO4激光器的设计及热效应消除提供理论依据。     

Analysis of Thermal Effects in Laser Rod Pumped by Repetitively Pulsed Laser Diode Array

Based on some assumptions, the numerical model of thermal distribution in solid state laser crystal pumped by pulsed laser diode is set up due to the pumped intensity distribution. Taking into account the property of YAG materials that varies with temperature, the transient temperature distribution of the laser crystal is calculated using finite element method on condition that K is a constant and a function of temperature. Then, the influence of the pumping parameters on the thermal effect in laser crystal is also discussed. This study is helpful to optimize the design of the diode side pumped solid state lasers.     

激光二极管合束模块整体散热热阻分析

半导体激光器散热是在热源至热沉之间尽可能提供一条低的热阻通路。其主要目的是降低外热阻(即激光器芯片至散热空间的热阻),使发热激光器芯片与被冷却表面之间保持一个低的温度梯度和良好的热接触。对于接触热阻冷却方法,人们往往根据自身的研究对象,用实验方法来解决接触热阻的问题。通过对单管合束模块整体热阻逐步进行分析,通过软件模拟和结合频率红移法对激光二极管热阻进行测量,得出单管合束模块整体散热热阻小于0.25 ℃/W。此散热模块可以满足百瓦级半导体激光器的散热要求。     

85W绿光激光器中的KTP晶体热效应研究

本文强调了倍频晶体的热效应问题是影响高功率激光器输出功率的主要因素之一，利用热传导方程对KTP晶体热效应问题进行了理论分析，模拟出了在一定泵浦功率下KTP晶体内部温度分布情况。并提出角度调节及加强冷却的方法来解决晶体热效应问题。在实验中获得了85W的高功率绿光输出。     

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。