二极管泵浦固体激光器热透镜焦距的数值模拟

理论分析了轴对称时,以泵浦光为标准高斯光束,在散热均匀情况下,激光晶体中的三维温度场分布,计算了热透镜焦距。利用Ansys数值,模拟了不同泵浦功率及不同泵浦光半径下,激光晶体中的三维温度场分布,并利用Matlab处理了温度数据,数值计算了热透镜对平行入射晶体端面的平面波产生相位畸变,描绘出热透镜焦距随半径的变化曲线。数值分析得出,热透镜焦距随径向发生变化,出射光波为非球面波,热透镜等效凹面镜不能用单一曲率半径描述,为非球面镜,并研究了泵浦功率和泵浦光半径对热透镜焦距的影响。     

LD 侧面泵浦Nd∶YAG激光器的热效应研究

:对激光二极管侧面泵浦Nd∶YAG 激光器的热效应进行了分析。由热传导方程得出YAG晶体内的温度分布,分析了激光介质中的热应力和热应力双折射,并得到YAG的热焦距 及激光束腰和远场发散角随泵浦功率的变化图形。 关键词:侧面泵浦;热效应;热应力;热焦距     

端面泵浦DPL热透镜形状的初探

在LD端面泵浦固体激光器中,泵浦光轴对称分布,晶体是柱状体,泵浦光轴正入射晶体轴心,晶体通过侧面冷却,其侧面温度一致,热耗、温度、折射率呈轴对称分布.建立了端面泵浦DPL实验装置.实验测出谐振腔外右侧z点处的光斑半径ω,算出输出镜即光腰处的光斑半径ω0,由ω0推算出谐振腔左端面处的光斑半径ω(L)及波振面半径R,R等效于热透镜的焦距.在相同泵浦条件下,晶体热透镜不改变,改变谐振腔的长度L,得出对应的ω(L)、R.对实验结果分析发现,等效热透镜应为非球面镜.     

二极管端面泵浦Nd∶GdVO4晶体瞬态温场分析

为解决脉冲激光二极管端面泵浦激光晶体瞬态热效应问题,构建了激光二极管端面泵浦激光晶体热模型,运用解析分析法研究了Nd∶GdVO4晶体的瞬态温场分布。考虑到Nd∶Gd-VO4晶体具有热传导各向异性的特点,采用了各向异性热传导方程,得到了超高斯激光脉冲端面泵浦Nd∶GdVO4晶体准热平衡态时激光晶体温度场的一般解析表达式。同时对脉冲激光的超高斯阶次、高斯半径、泵浦功率以及脉宽对Nd∶GdVO4晶体瞬态温场的影响进行了定量分析与计算。研究结果表明:若使用泵浦功率为40 W,脉冲频率为100 Hz,脉宽为80 ms的2阶超高斯分布脉冲激光泵浦Nd∶GdVO4(钕离子掺杂质量分数为1.2%)晶体,达到准热平衡状态时温度在28.8～38.1℃之间成锯齿形周期分布,随着温度场周斯性分布,晶体表面的热形变量也在0.065μm和0.092μm做周期性变化。该结果对热焦距变化范围以及对热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。     

Transient temperature field of Nd:GdVO4 crystal end-pumped by diode

为解决脉冲激光二极管端面泵浦激光晶体瞬态热效应问题,构建了激光二极管端面泵浦激光晶体热模型,运用解析分析法研究了Nd:GdVO4晶体的瞬态温场分布.考虑到Nd:GdVO4晶体具有热传导各向异性的特点,采用了各向异性热传导方程,得到了超高斯激光脉冲端面泵浦Nd:GdVO4晶体准热平衡态时激光晶体温度场的一般解析表达式.同时对脉冲激光的超高斯阶次、高斯半径、泵浦功率以及脉宽对Nd:GdVO4晶体瞬态温场的影响进行了定量分析与计算.研究结果表明:若使用泵浦功率为40W,脉冲频率为100 Hz,脉宽为80 ms的2阶超高斯分布脉冲激光泵浦Nd:GdVO4(钕离子掺杂质量分数为1.2％)晶体,达到准热平衡状态时温度在28.8～38.1℃之间成锯齿形周期分布,随着温度场周斯性分布,晶体表面的热形变量也在0.065 μm和0.092 μm做周期性变化.该结果对热焦距变化范围以及对热不敏谐振腔设计具有理论指导意义.     

热边界和泵浦结构对激光晶体热效应的影响

报道了不同热边界和泵浦结构下激光晶体的热效应情况。理论上,基于星载激光器的工作特点,通过建立符合激光晶体工作状态的热模型,模拟了Nd:YAG晶体受到具有高斯分布半导体激光侧面泵浦时的温度场分布,分析了热边界、泵浦方式以及泵浦光斑、吸收系数等泵浦参数对温度场的影响。将激光晶体热透镜作薄透镜近似,进行了热透镜焦距理论计算和实验测量。五面环形泵浦结构,泵浦功率4 500 W,10 Hz重复频率下,Nd:YAG晶体的热透镜焦距约9.5 m,实验结果与理论仿真结果基本符合。文中建立的模型与实验方法为预测激光晶体的热效应提供了一种有效工具,为激光器设计提供依据。     

LD泵浦Nd:YAG晶体准三能级热效应理论与实验

对LD端面泵浦圆柱形Nd:YAG晶体产生946 nm激光的晶体热效应进行了分析.考虑晶体的准三能级结构和腔内传播功率的分布,对热转换系数进行了修改,得到了更符合实际情况的晶体内部温度场分布.当泵浦功率为15W时,晶体端面中心温度由未修改参数前的242.73℃升高到了387.43℃,提高了144.70℃.分别对修改参数前...     

LD端面泵浦掺Nd晶体的热透镜焦距

采用He-Ne光直接测量的方法,在不同的泵浦功率下,对不同掺Nd晶体的热透镜焦距进行了测量,并对测量结果分析和讨论,为LD端面泵浦掺Nd晶体固体激光器的实验研究提供了数据参考。     

半导体泵浦Nd：YAG固体激光器输出光束质量研究与实验测量

对激光二极管侧面泵浦全固态激光器的热效应进行了分析。由热的传导方程得出Nd：YAG晶体内的温度场分布,得到Nd：YAG的热焦距与泵浦功率的变化规律。同时,设计了测量不同泵浦功率下输出光束质量的实验装置并得到实验结果,最后对实验数据进行了简单的分析,得到最佳输出光束质量时的应用参数。     

LD侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应研究

对激光二极管侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应进行了分析。由热传导方程得出YAG晶体内的温度分布，分析了激光介质中的热效应力热应力双折射，并得到YAG的热焦距及激光束腰和远场发散角随泵浦功率的变化图形。     

激光二极管端泵Yb:YAG晶体的温度场及应力场

为了解决激光二极管端面泵浦Yb:YAG晶体引起的热效应问题,通过对晶体工作特点的分析,建立了周边冷却恒温、端面与空气存在热交换的有限元热模型。利用泊松方程,对Yb:YAG晶体的温度场、热应力场、热形变场和热透镜焦距进行了数值计算,并定量分析了激光二极管泵浦光的高斯阶次、光斑半径和泵浦功率对激光晶体温度场的影响。研究结果表明：若激光二极管泵浦功率为50 W,耦合到泵浦面的光斑半径为400μm时,晶体尺寸为3 mm×3 mm×4 mm、掺杂浓度为5.0 at.%的Yb:YAG晶体端面的最高温升为59.2 K,最大热形变量为0.645 67μm,晶体内稳定时最大应力为2.380×10⁸ N/m²,热透镜焦距为19.99 mm,该条件下激光器可正常运行。研究结果为全固态Yb:YAG激光器的设计提供了理论依据。     

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。     

激光二极管端泵平板Nd:GdVO4晶体热效应

以解析热分析理论为基础,建立了平板Nd:GdVO<,4>激光晶体在激光二极管阵列端面抽运时的导热微分方程.通过对方程的求解,得到了Nd:GdVO<,4>晶体内部温度场解析式和热透镜焦距随抽运光半径和功率变化的分布关系.温度场的数值模拟表明:当泵浦光功率P=30W、泵浦区域为1 mm×1 mm时,晶体在x,y,z方向的最...     

利用稳腔条件测量LD端面泵浦激光晶体的热焦距

利用稳腔条件,从谐振腔的角度推导了热焦距计算公式,并作了简单的等效,为热焦距的测量提供了方便简洁的方法.从实验的角度,对掺杂为0.5%的Nd:YVO4晶体的热焦距进行实际测量,得出了不同泵浦功率下的热焦距数值.对列阵半导体激光端面泵浦下激光晶体的热效应作了分析,用热焦距计算公式进行计算,把结果与利用稳腔条件测量所得结果进行了比较.两种结果基本吻合,变化趋势一致.     

二极管端面抽运Tm∶YAP激光器热透镜效应研究

分析了Tm∶YAP晶体热透镜焦距产生的原因,并理论计算热透镜焦距值.阐明了利用平平非稳腔法测量LD端面泵浦Tm∶ YAP固体激光器有效热透镜焦距的简单方法.通过改变腔长,找到谐振腔失谐点,便可得到晶体吸收的泵浦功率和对应的热透镜焦距的关系.对不同Tm∶YAP晶体棒进行了测量,并且加以比较.此方法不需要特别的仪器,且操作简单,实验值与理论计算的值偏差小于10％.     

具有热透镜效应的LD端泵Z型腔的理论研究

由于采用大功率端面泵浦会在增益介质中产生热透镜效应,从而对激光器的运转产生严重的影响,本文利用端面泵浦固体激光棒有效热焦距的解析式得到谐振腔的稳区,并在考虑热透镜效应情况下对腔的参数和泵浦功率对稳区的影响进行讨论。     

复合Nd∶YAG晶体固体激光器热效应研究

通过使用Comsol有限元仿真软件中的热传导模块,对以下四种晶体在端面泵浦工作情况下晶体内部温度分布进行了模拟分析。其中包含:(1)3 mm×3 mm×10 mm均匀掺杂Nd∶YAG晶体;(2)两个端面分别键合3 mm长YAG晶体的3 mm×3 mm×10 mm Nd∶YAG复合晶体;(3)侧面键合厚度1 mm的YAG晶体5 mm×5 mm×10 mm复合Nd∶YAG晶体;(4)四个侧面分别键合厚度1 mm的YAG晶体,两个端面分别键合3 mm长的YAG晶体的5 mm×5 mm×10 mm Nd∶YAG晶体。在泵浦功率为30 W时,四种晶体的最高工作温度分别为153℃,114℃,157℃,115℃。结果表明,与侧面键合结构相比,端面键合是降低激光晶体的工作温度,减小热效应的有效方法。为研究侧面键合结构的适用条件,论文降低了晶体侧面的导热系数,模拟了在同样的泵浦功率条件下四种晶体的最高温度,分别为212.014℃,149.158℃,186.741℃和134.410℃。模拟结果表明在侧面散热条件比较差的条件下,侧面与端面双重键合是降低激光晶体热效应的最佳选择。在实验方面,采用LDA作为泵浦源,在泵浦功率为18 W时,得到侧面与端面双重键合的Nd∶YAG的输出功率最高,为12.1 W,转换效率为67.2%,实验结果与理论模拟结果相符合。     

脉冲LD端面泵浦YAG/Nd∶YAG复合晶体热效应分析

为了解决LD端面泵浦晶体引起的热效应问题,根据脉冲LD端面泵浦复合晶体工作特点,利用热传导理论建立了脉冲激光二极管泵浦YAG/Nd∶YAG复合晶体的有限元热模型。定量分析了泵浦功率、未掺杂晶体厚度、脉冲宽度对复合晶体温度场及热形变量的影响。结果表明,当掺杂晶体厚度为8 mm,未掺杂晶体厚度为3 mm,脉冲宽度为3 ms,经光学耦合系统准直聚焦的泵浦光斑半径为300μm,重复频率为100 Hz时,使用泵浦功率为80 W的脉冲LD端面泵浦复合晶体YAG/Nd∶YAG,泵浦端面中心的最高温度及最大热形变量分别66.84℃和0.12μm。可见,复合晶体能有效缓解晶体的温升和晶体端面的热形变。该研究为实现Nd∶YAG激光器高功率输出目标提供了理论指导。     

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。     

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。