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.     

脉冲激光二极管端面抽运固体激光器中晶体的热弛豫时间

在脉冲激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中,存在热效应瞬态过程,即晶体的温度分布具有时变性,晶体温度的时变过程受到热弛豫时间的影响.从热传导方程出发,采用解析法和数值法分别对晶体降温过程中温度的时变性进行计算;采用有限元方法,对晶体热弛豫时间及其影响因素进行数值计算,分析了晶体直径、密度、热传导系数和比热等热物性参数对热弛豫时间的影响;采用流体流动换热理论,充分考虑了冷却水流温度和速度对晶体温度分布的影响.结果表明,通过调整晶体尺寸、冷却系统可以实现对热弛豫时间的控制.根据有限元软件ANSYS的计算结果,分析了晶体抽运端面上径向温度的时变分布,晶体边缘与中心的温差和光程差;初步计算了晶体热透镜不同径向位置处的焦距差.结果表明,晶体冷却过程中,不同径向位置与中心的温差和相对光程差具有时变性,晶体热透镜的聚焦特性也是随时间变化的.     

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。     

端面抽运矩形截面Nd:GdVO4晶体热效应研究

以解析分析理论为基础，研究矩形横截面Nd：GdVO4晶体受到具有高斯分布的端面中心入射时。激光晶体温度场分布情况和晶体抽运面热形变分布情况。通过对半导体激光端面入射Nd：GdVO4激光晶体工作特点分析。建立了符合激光晶体工作状态的热模型，利用热传导方程(泊松方程)的一种新求解方法，得出了矩形截面Nd：GdVO4晶体的温度场分布和端面热形变场通解表达式，同时对影响激光晶体温度场分布的各种因素进行了定量研究。研究结果表明，当使用输出功率为15W的半导体激光器端面中心入射Nd：GdVO4晶体(晶体掺钕离子原子数分数为1．2％)时，在抽运端面中心获得189．0℃最高温升和1．37μm最大热形变量。这种方法还可以应用到其他激光晶体热问题研究中。     

激光二极管端面抽运Nd:YAG的端面形变

研究了端面抽运Nd：YAG晶体的抽运面形变场分布，采用一种新的测量端面形变场分布的实验方法——光束扫描法。让参考光沿晶体的端面小步距扫描，比较有无抽运光时各扫描点在探测面上光点位置的移动情况，通过几何分析与数值计算，可逐段得到端面的形变场分布。通过与理论上在理想模型下所求解的结果比较，发现实验值与理论值基本一致，晶体的端面形变场最大峰值处的抽运光在端面的聚焦位置处。另外发现端面的形变场分布的对称性受抽运光对称性影响，且曲线不光滑。该方法解决了端面抽运Nd：YAG晶体的抽运面形变场分布难以测量的问题，旦易于实现和操作。     

边缘抽运薄片Nd:YAG激光器

边缘抽运薄片激光器设计使得冷却面和抽运面分开,解决了高功率抽运和抑制放大自发辐射问题,简化了激光器的结构设计.利用边缘抽运六角形1.at-%Nd:YAG薄片获得了5.1 W的输出,斜率效率为11.9%,并使用光线追迹的方法,分析了抽运光在晶体中的分布和吸收情况,指出了发展边缘抽运薄片激光器所要解决的关键技术.     

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。     

激光二极管端面抽运圆形截面Nd:GdVO4晶体的热形变

以解析分析理论为基础，研究圆截面Nd：GdVO4激光晶体受到具有高斯分布半导体激光端面中心入射时，晶体温度场分布和抽运面热形变分布情况。通过对激光二极管（LD）端面入射晶体工作特点分析，建立了符合实际工作情况的热模型，利用热传导方程新求解方法，得出了圆形截面Nd：GdVO4晶体温度场分布和端面热形变场通解表达式，对比分析了圆形截面和矩形截面Nd：GdVO4晶体的热形变。研究结果表明，当使用输出功率为15W激光二极管端面中心入射Nd：GdVO4激光晶体时，在抽运端面中心获得187．5℃最高温升和1．313μm最大热形变量。两种截面晶体具有相同的热形变形状，当截面尺寸不太大时，如果圆形截面晶体的半径等于矩形截面晶体半边长，最大热形变量将减少4．1％。这种方法还可以应用到其他圆形截面晶体热问题研究中，为有效解决激光系统热问题提供了理论依据。     

端面抽运Nd:YAG圆棒热容激光晶体热分析

为了准确研究LD端面抽运圆棒热容激光晶体Nd:YAG时产生的热效应,采用以半解析热分析理论为基础、结合弹性力学理论的研究方法,得出了圆棒热容激光晶体抽运阶段和冷却阶段的温度场、热应力场和端面形变量半解析计算方法。结果表明,当抽运总功率为200W,4阶超高斯LD对Nd:YAG抽运2s时,Nd:YAG圆棒热容激光晶体的端面最大应力为52.9MPa,低于晶体断裂阈值下线的50%;此时激光晶体端面形变为3.05μm。所得结果为优化热容激光器提供了理论支持。     

激光二极管端泵平板Nd:YAG、Nd:YVO4和Nd:GdVO4晶体热效应比较

以解析热分析理论为基础,建立了平板Nd:YAG、Nd:YVO4和Nd:GdVO4晶体在激光二极管阵列端泵抽运时的导热微分方程.通过方程求解,得到三种晶体内部温度场和热形变分布的解析式.温度场和热形变场的数值模拟表明:当泵浦光功率P0=30W、泵浦区域为0.5 mmx0.5 mm时,三种激光晶体的一维温度场、二维温度场分...     

二极管象散光束端面泵浦Nd:YAG激光器

研究了用象散二极管激光光束端面泵浦的TEM0m,TEMn0多模Nd:YAG激光器。文中报导了不同泵浦功率下的激光模式情况和稳定性情况,最大CW输出功率320mW,斜效率28%,最高稳定CW输出功率232mW,斜效率20%,为进一步研究二极管泵浦的列阵器件奠定了基础。     

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.     

LD端面抽运圆形截面YAG-Nd:YAG复合晶体热效应

通过对半导体激光端面入射复合晶体工作特点的分析,建立了符合实际工作情况的热模型,利用热传导方程求解方法,得出了圆形截面复合晶体的温度场分布和端面热形变场通解表达式.研究结果表明:当使用输出功率为1 8 W半导体激光器端面中心入射复合晶体YAG-Nd:YAG时,抽运端面中心获得91.21℃最高温升和2.53μm最大热形变量.复合晶体可以有效降低晶体中最高温升,但是不能减少晶体端面热形变.     

Single-diode end-pumped Nd:YAG laser

Experimental results on the first miniature Nd:YAG laser end-pumped by a single incoherent infrared-emitting diode are given. Laser operation was verified by measurements of relaxation oscillations, angular divergence, wavelength, and nonlinear output. In order to emit in the 0.81- μm pump band of Nd:YAG, the GaAs1-xPxdiode required cooling to 88 K (-185°C). Cooling the diode increased its efficiency while cooling the rod decreased the pump power necessary to reach threshold. With both laser mirrors highly reflecting at 1.06 μm, the maximum pulse powerP_{D}^{th}emitted by the diode at threshold was 6.2 ± 1.2 mW. The diode power required for laser threshold at room temperature was derived and compared with more recent experiments. Miniature size and long-lived solid-state components make this laser attractive for further development.     

二极管端泵浦Nd：YAG连续激光器

我们研制了一台二极管连续端泵浦的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，用国产激光二极管作泵浦源，泵浦激光波长为０．８０８μｍ。激光介质为φ５×５ｍｍ的Ｎｄ：ＹＡＧ棒，输出激光波长为１．０６μｍ，用ＣＣＤ相机和图象处理系统记录和分析激光光斑，得到激光横模为ＴＥＭ００模，当输入谐振腔的泵浦功率为２２５ｍＷ时，输出连续激光功率最高达７６．４ｍＷ，光－光转移效率为３３．９％，电光斜效率达到９．１％，并做了腔外倍频实验。     

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...     

光纤耦合LD端面抽运Nd:GdVO4晶体材料热效应分析

为了研究半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应问题,采用解析分析的方法研究端面抽运激光晶体的温升以及热形变量的大小.通过激光晶体工作特点分析,考虑到Nd:GdVO_4晶体热传导各向异性的特点,采用各向异性传热的Poisson方程,得出了超高斯光束端面抽运Nd:GdVO_4晶体温度场以及热形变场的一般解析表达式.并定量分析了超高斯光束不同阶次、不同光斑尺寸抽运时对于Nd:GdVO_4晶体温度场以及热形变场的影响.结果表明,若半导体激光器的输出功率为30W,光学聚焦耦合器传输效率为85%,5阶超高斯光束沿中心端面抽运掺钕离子原子数分数为0.012的Nd:GdVO_4晶体,抽运面可获得419.3℃的最大温升,并产生0.711μm的热形变.该结果对估算Nd:GdVO_4晶体热焦距变化范围以及进行热不敏谐振腔设计具有理论指导作用.     

LD端面泵浦的高重频Nd:YAG激光器的热效应研究

在LD端面泵浦的高重频Nd：YAG激光器的光泵浦过程中产生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。从热传导方程入手,利用有限元法求得激光晶体中温度稳态分布的数值解,同时对其热透镜效应进行了计算分析,在此基础上运用传播圆一变换圆的图解分析法进行热稳腔的分离参数设计以补偿热透镜效应。该研究为进一步优化激光器设计,提高激光输出的稳定性奠定了基础。